Pomiary w wysokiej rozdzielczości pokazują, że „powłoka” gwiazdy neutronowej ma mniej niż milion nanometrów grubości

Fizycy jądrowi dokonują nowych pomiarów w wysokiej rozdzielczości warstwy neutronów otaczającej jądro ołowiu, ujawniając nowe informacje o gwiazdach neutronowych.

Fizycy jądrowi przeprowadzili nowy i bardzo dokładny pomiar grubości neutronowej „skóry”, który zawiera rdzeń ołowiu w eksperymentach przeprowadzonych w Narodowym Centrum Akceleratora im. Thomasa Jeffersona przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych i właśnie opublikowany w Fizyczne listy kontrolne. Wynik, który ujawnił grubość skóry neutronów wynoszącą 0,28 ppm nanometra, ma ważne implikacje dla struktury i wielkości gwiazd neutronowych.

Protony i neutrony, które tworzą jądro, znajdują się w rdzeniu każdego z nich kukurydza We wszechświecie pomaga określić tożsamość i właściwości każdego atomu. Fizycy jądrowi badają różne jądra, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak te protony i neutrony działają w jądrze. Współpraca Lead Radius Experiment, zwana PREx (od symbolu chemicznego ołowiu, Pb), bada subtelności dystrybucji protonów i neutronów w jądrach ołowiu.

Pytanie brzmi, gdzie neutrony są na pierwszym planie. Kent Bashki, profesor Uniwersytetu Wirginii i rzecznik eksperymentu, powiedział, że ołów to ciężkie jądro – są dodatkowe neutrony, ale jeśli chodzi o siłę jądrową, równa mieszanina protonów i neutronów działa lepiej.

Hala Doświadczalna Laboratorium Jeffersona jest jednym z czterech obszarów badań fizyki jądrowej w Laboratorium Ciągłego Przyspieszania Wiązkami Elektronów. Źródło: Laboratorium Jeffersona w Departamencie Energii

Baszki wyjaśnił, że lekkie jądra, które zawierają kilka protonów, zwykle mają w sobie równą liczbę protonów i neutronów. Ponieważ jądra stają się cięższe, potrzebują więcej neutronów niż protonów, aby zachować stabilność. Wszystkie stabilne jądra z ponad 20 protonami zawierają więcej neutronów niż protonów. Na przykład ołów ma 82 protony i 126 neutronów. Pomiar, w jaki sposób te dodatkowe neutrony są rozmieszczone w jądrze, jest kluczowym wkładem do zrozumienia, jak ciężkie jądra są grupowane.

„Protony w jądrze ołowiu są w kuli” – powiedział Baszki. „Odkryliśmy, że neutrony są w większej kuli wokół niego i nazywamy to skórą neutronową.”

Wynik testu PREx został opublikowany w Fizyczne listy kontrolne W 2012 roku dokonał pierwszej eksperymentalnej obserwacji tej powłoki neutronów przy użyciu technik rozpraszania elektronów. Po uzyskaniu tego wyniku współpraca przebiegła w kierunku dokładniejszego pomiaru jego grubości w PREx-II. Pomiary wykonano latem 2019 roku przy użyciu Akceleratora Ciągłych Wiązek Elektronów, który jest obiektem używanym Biura Nauki Wydziału Energetyki. Ten eksperyment, podobnie jak pierwszy, mierzył średni rozmiar jądra ołowiu pod względem neutronów.

Neutrony są trudne do zmierzenia, ponieważ wiele czułych czujników, których fizycy używają do pomiaru cząstek subatomowych, polega na pomiarze ładunku elektrycznego cząstek poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne, które jest jedną z czterech reakcji występujących w naturze. PREx wykorzystuje inną podstawową siłę, słabą siłę jądrową, do badania rozkładu neutronów.

„Protony mają ładunek elektryczny i można je określić za pomocą siły elektromagnetycznej. Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, ale w porównaniu z protonami mają duży, słaby ładunek, więc jeśli użyjesz słabej interakcji, możesz dowiedzieć się, gdzie neutrony są – wyjaśnił Baschke.

W eksperymencie precyzyjnie kontrolowana wiązka elektronów została wysłana, rozbita w cienki arkusz chłodzonego na zimno ołowiu. Te elektrony wirowały w kierunku swojego ruchu, jak spirala na piłce nożnej.

Elektrony w wiązce oddziałują z protonami lub neutronami głównego celu poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne lub oddziaływanie słabe. Podczas gdy reakcja elektromagnetyczna jest izomorficzna, słabe oddziaływanie nie jest. Oznacza to, że elektrony, które oddziałują za pośrednictwem elektromagnetyzmu, robiły to niezależnie od kierunku obrotu elektronów, podczas gdy elektrony, które oddziaływały poprzez oddziaływanie słabe, oddziaływały bardziej preferencyjnie, gdy spiny były w jednym kierunku w porównaniu z drugim.

„Używając asymetrii w rozpraszaniu, możemy określić siłę reakcji, a to mówi nam, jaką objętość zajmują neutrony. To mówi nam, gdzie neutrony są porównywane z protonami”. Powiedział Krishna Kumar, rzecznik procesu i profesor na Uniwersytecie Massachusetts Amherst.

Pomiary wymagają wysokiego stopnia dokładności, aby zostały pomyślnie wykonane. W trakcie eksperymentu wiązka elektronów była odwracana z jednego kierunku na przeciwny 240 razy na sekundę, a następnie elektrony przeszły około mili przez akcelerator CEBAF, zanim precyzyjnie trafiły na cel.

„Średnio w całym zakresie wiedzieliśmy, gdzie prawy i lewy promień znajdują się względem siebie w szerokim zakresie 10 atomów” – powiedział Kumar.

Elektrony, które zostały rozproszone z jąder ołowiu, zostały zebrane i przeanalizowane, pozostawiając je nienaruszone. Następnie współpraca PREx-II połączyła to z poprzednim wynikiem z 2012 roku i precyzyjnymi pomiarami promienia protonu ołowianego rdzenia, który często nazywany jest promieniem ładunku.

Promień ładunku wynosi około 5,5 femtometra. Rozkład neutronów jest nieco większy – około 5,8 femtometrów, więc skóra neutronów ma 0,28 femtometru, czyli około 28 części na milion nanometra ”- powiedział Baschke.

Naukowcy stwierdzili, że liczba ta jest większa niż sugerują niektóre teorie, co wpływa na procesy fizyczne zachodzące w gwiazdach neutronowych i ich rozmiar.

„Jest to najbardziej bezpośrednia obserwacja biczowania neutronów. Znajdujemy to, co nazywamy równaniem ciała stałego – ciśnienie wyższe niż oczekiwano, że trudno jest ścisnąć te neutrony w jądrze. W ten sposób odkryliśmy, że gęstość wewnątrz jądra jądro jest nieco niższe niż oczekiwano ”- powiedział Baschke.

„Musimy znać zawartość Gwiazda neutronowa I równanie stanu, abyśmy mogli przewidzieć właściwości tych gwiazd neutronowych ”- powiedział Kumar.„ Zatem to, co wnosimy do pola dzięki temu pomiarowi jądra ołowiu, pozwala na lepszą ekstrapolację właściwości gwiazd neutronowych ”.

Niespodziewanie sztywne równanie stanu implikowane przez wynik PREx ma głębokie powiązania z niedawnymi obserwacjami zderzających się gwiazd neutronowych dokonanymi przez nagrodzone Noblem Laserowe Obserwatorium Grawitacyjne, lub klocki LegoEksperyment – robił eksperymenty. LIGO to wielkoskalowe obserwatorium fizyczne przeznaczone do wykrywania Fale grawitacyjne.

„Kiedy gwiazdy neutronowe zaczynają się okrążać, emitują fale grawitacyjne, które zostały wykryte przez LIGO. Gdy zbliżają się w ostatnim ułamku sekundy, grawitacja jednej gwiazdy neutronowej sprawia, że ​​druga gwiazda neutronowa ma kształt łzy – w rzeczywistości staje się prostokątem przypominającym piłka nożna. American Jeśli skóra neutronów jest większa, oznacza to określony kształt piłki nożnej, a jeśli powłoka neutronów jest mniejsza, oznacza to inny kształt piłki nożnej. „Kształt piłki nożnej jest mierzony przez LIGO.” „Eksperyment LIGO i eksperyment PREx zrobił bardzo różne rzeczy ”- powiedział Kumar. Ale są one związane z tym podstawowym równaniem – stanem równania stanu materii jądrowej”.

Odniesienie: „Dokładne określenie grubości skóry neutronów dla ²⁰⁸„Lead by Valence Violation in Electron Scattering” D. Adhikari et al. (PREX Collaboration), 27 kwietnia 2021, dostępne tutaj. Fizyczne listy kontrolne.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Współpraca eksperymentalna PREx-II obejmuje 13 doktorów. Studenci i siedmiu uczestników badań ze stopniem doktora, a także ponad 70 innych naukowców z blisko 30 instytucji.

Prace te były wspierane przez Biuro Nauki Departamentu Energii, Narodową Fundację Nauki, Kanadyjską Radę Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC) oraz Włoski Instytut Jądrowy (INFN).