Nyt eksperiment måler neutronhud i calcium

En ny højpræcisionsmåling af neutronhuden i dobbeltmagisk calcium-48 kan hjælpe med at kaste lys over proton-neutron-interaktioner inde i kerner. Dette er den første meget robuste elektrosvage måling af neutronhuden i en mellemvægtig kerne. Resultaterne fra denne nye måling, lavet af 48Ca Radius EXperiment (CREX) samarbejdet på DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility, vil blive præsenteret på efterårsmødet 2021 i APS Division of Nuclear Physics.

"Vi studerer en bestemt neutronrig kerne kaldet calcium-48. Det er en speciel isotop af calcium, der har et overskud af neutroner. Kernen er lavet af protoner og neutroner, og calcium-48 har flere neutroner end protoner. Vi forsøger at forstå, hvordan de er fordelt i denne tætte kerne, " siger Caryn Palatchi, en forskningsmedarbejder ved University of Virginia, som vil præsentere resultaterne.

I den mest massive stabile kerne målt, bly-208, det blev for nylig bekræftet, at relativt lige mange protoner og neutroner samler sig mod kernen, mens ekstra neutroner skubbes ud til kanten. Nu, kernefysikere tester, om dette gælder for den stadig tætbefolkede, men meget mindre massive og stabile calcium-48-kerne.

"Denne særlige isotop har et overskud af neutroner og en densitet, der er høj. Det menes, at neutronerne kan spredes ud og strække sig længere ud end protonerne for at skabe denne hud, en neutronhud, omkring kernen af ​​calcium. Vi prøver at måle denne hud og hvor tyk den er, " siger Palatchi.

Tykkelsen af ​​neutronhuden af ​​bly-208 viste sig at være tykkere end engang troet, med implikationer ikke kun for strukturen af ​​kerner, men også for neutronstjerner. Denne nye måling af neutronhuden i calcium-48 vil også have nye implikationer for kernefysikeres forståelse af kernernes struktur.

"Den mindre calciumkerne har færre protoner og neutroner, og det er kun inden for rækkevidde af visse typer beregninger, der kommer fra de første principper, eller ab initio beregninger. Mellem de to forskellige mål, vi kan sammenligne dem med modeller, der er ab initio beregninger af nukleon-nukleon-interaktioner og modeller, der er for en ensartet tæt kerne, " Palatchi forklarer. "Så, mellem de to eksperimenter, du kan tale om, at dette landskab beskriver meget tæt stof."

Eksperimentet blev udført i Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE videnskabelig brugerfacilitet. Data blev taget fra december 2019 til marts 2020 og juli til september 2020. I eksperimentet en stråle af energiske elektroner blev rettet ind i en sølvfarvet skive af ren calcium-48, der var formet som en hockeypuck - på størrelse med en halv dollar og en halv tomme tyk.

De energiske elektroner interagerer med protoner og neutroner inde i calciumkernerne via den elektrosvage kraft. Mens interaktioner via den elektromagnetiske del af den elektrosvage kraft er paritetsbevarende, interaktioner via den svage kraft-del er paritetskrænkende.

"Paritet er en spejlsymmetri. Det refererer til, hvis du skulle ændre interaktionen fra højre til venstre og fra op til ned, det samme resultat ville opstå, " Palatchi forklarer. "Paritetskrænkende betyder, at der er en interaktion, som hvis du laver et spejlbillede af det, det bliver ikke det samme; spejlbilledet er ikke identisk."

Denne paritetsovertrædelsesegenskab gør det muligt for kernefysikere at skærpe ind på elektronernes interaktioner med neutroner inde i calcium-48-kernen.

"Paritetskrænkelse er en signatur af den svage kraft, og neutroner har en svag ladning. Så, vi undersøger virkelig neutronerne. Vi bruger den svage kraft til at undersøge dem, " siger Palatchi.

Det endelige resultat vil give oplysninger om calcium-48's formfaktor, dens neutronhud og neutronradius. De lignende eksperimentelle betingelser giver også mulighed for sammenligninger mellem calcium-48 og bly-208 kerner.

"Vi forventer at sætte et benchmark med denne måling. Neutronhuden i bly kom ud tyk i forhold til vores forventninger, så vi forventer det samme med calcium, " siger Robert Michaels, en stabsforsker ved Jefferson Lab, som også vil præsentere resultaterne med yderligere diskussion. "På den ene eller anden måde, vi forventer, at dette resultat fortæller os noget nyt om strukturen af ​​tætte kerner."

Den første offentlige præsentation af 48Ca Radius EXperiment (CREX) resultatet vil blive lavet af Caryn Palatchi, en forskningsmedarbejder ved University of Virginia. Hun vil præsentere de første resultater fra CREX på efterårsmødet 2021 i APS Division of Nuclear Physics. Robert Michaels, en stabsforsker ved Jefferson Lab, vil også præsentere resultaterne med yderligere diskussion. Mødet afholdes stort set 11.-14. oktober.