At nå neutronstjerner:Forskningsgruppen finder forudsigende rammer, tyk hud af atomkernen

I mere end et årti har et tværfagligt team af kemikere og fysikere i Arts &Sciences ved Washington University i St. Louis har jagtet atomkernen. Med progressive studier, de flyttede op ad elementkæden til Calcium-48, en yderst sjælden fast vare, der har flere neutroner end protoner og, som sådan, bærer en stor pris på $ 100, 000 pr gram.

Det er et finurligt materiale, med denne særlige undersøgelse, der tog kemikere fra Washington University Robert J. Charity og Lee G. Sobotka fra Duke's Triangle Universities Nuclear Laboratory til Department of Energy's Los Alamos (N.M.) National Laboratory.

"Hvis du lader det stå på et bord, det bliver til pulver, "sagde medforfatter Charity, en forskningsprofessor i kemi i kunst og videnskab. "Calcium oxiderer meget hurtigt i luften. Det var en bekymring."

Ultimativt, tre gram Ca-48 var med til at producere et dobbeltkantet fund for velgørenhed og medforfatter Willem H. Dickhoff, professor i fysik. Deres team opdagede både en ramme til at forudsige, hvor neutroner vil bo i en kerne og en måde at forudsige hudtykkelsen af ​​en kerne.

I deres forskning offentliggjort 29. november i Fysisk gennemgangsbreve , de forudsagde, hvordan neutronerne ville skabe en tyk hud, og at denne hud på Ca-48—3,5 femtometer (fm) i radius-målt 0,249 + 0,023 fm.

For at konvertere det til centimeter, det ville måle 2,49×10 ^-14 cm. Forskerne siger, at nøglefundet er, at huden er tykkere og mere neutronrig end tidligere antaget.

"Det forbinder os med astrofysik og, i særdeleshed, neutronstjernefysik, "Dickhoff sagde om forskningsresultaterne." Los Alamos -eksperimentet var afgørende for den analyse, vi forfulgte. I sidste ende - fordi det har dette ekstra sæt neutroner - får det os til information, der hjælper os med at tydeliggøre neutronstjerners fysik yderligere, hvor der er mange flere neutroner i forhold til protoner.

"Og det giver os mulighed for at forudsige, hvor neutronerne er i Ca-48, "Sagde Dickhoff." Det er den kritiske information, hvilket fører til forudsigelse af neutronhuden. "

Til velgørenhed, Dickhoff og medforfattere Hossein Mahzoon, PhD '15, en lektor i fysik ved Truman State University i Kirksville, Mo., og Mack Atkinson, en ph.d. -kandidat i fysik ved Washington University, jagten fortsætter.

De ser med interesse, når Ca-48 efter planen skal gennemgå den reneste hudtykkelsestest, der er tilgængelig via elektronacceleratoren på Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Va.

I øvrigt, de fortsætter med at bevæge sig op i grundstofkæden af ​​neutronrige kerner til det, Charity kaldte den "berømte kerne" af Lead-208. Michael Keim, senior i fysik, står i spidsen for en undersøgelse af Lead-208.

"Det vil give os et eksperimentelt greb om, hvorvidt vores analyse virkelig er forudsigelig, "Dickhoff sagde." Vi synes, vi har et godt argument, hvorfor vi synes, det har en tyk hud. Der er en stor gruppe mennesker, der forudsiger en mindre hud. Dette er direkte relevant for forståelsen af ​​størrelsen af ​​neutronstjerner. Det er endnu ikke krystalklart, hvor stor en neutronstjerne er - dens radius. "

Hvordan de foretog deres analyse og nåede denne forudsigelige ramme, er også en del af deres årti lange forfølgelse. Deres kemi-fysik gruppe abonnerer på "spredningsrelationer, "som Sobotka, der er professor i kemi og fysik, forklarede enkelt:"Det er det, der fortæller dig, at du ikke skal grine, før du bliver kildet. Det betyder, at der tages behørigt hensyn til kausalitet."

Kort sagt, de analyserer alle energier samtidigt frem for at fokusere på en enkelt energi.

Siden første udgivelse sammen i 2006, de har brugt den dispersive optiske model (DOM) udviklet for et kvart århundrede siden af ​​Claude Mahauxa, en atomteoretiker fra Belgien. De udvidede det - på tværs af energidomæner og isotoper - så de kunne forsøge at forudsige, hvor atompartiklerne er.

"Vi var nødt til at tage det tekniske skridt for at inkludere følsomheden af ​​partikler, " sagde Dickhoff. Han brugte sine hænder til at illustrere midten og derefter resten af ​​en kerne:"Hvis de er her, de var også påvirket af alle andre steder. Som vi kalder 'ikke -lokalitet'. Uden det, du kan ikke komme med disse forudsigelser. "

Tunge neutronrige elementer opfører sig anderledes. Så dette hold bliver ved med at stige op i sværvægtsklasserne:Ca-40, Ca-48, Bly-208. "Hvor langt kan du gå ud ad en isotopkæde, indtil du mister neutroner?" Næstekærlighed sagde. Det giver dem hud i hudspillet.

"Når du putter ekstra neutroner i, det kan ikke lide det, ikke? "Næstekærlighed sagde om atomkernen." Den skal finde ud af, hvordan man kan rumme disse ekstra neutroner. Det kan placere dem jævnt i hele kernen. Eller det kunne sætte dem på overfladen. Så spørgsmålet er:Er denne kraft stærkere i kernens lavdensitetsregion eller svagere? "

"Vi ved, hvor protonerne er, "Tilføjede Dickhoff." Det er veletableret eksperimentelt. Men du kan ikke gøre det let med neutroner. Jeg vil simpelthen vide, hvad en nukleon, en proton eller en neutron, gør. Hvordan bruger den sin tid? Nukleoner er mere interaktive - de gør andre ting end at sidde stille i deres kredsløb. Det er, hvad denne metode kan fortælle os."

Deres ikke-lokale DOM-ramme - et årti plus under udvikling - bruger computermodellering og beregninger samt laboratorieeksperimenter. Det giver dem mulighed for at "lave en forudsigelse, der er velbegrundet og taget alvorligt, "Sagde Dickhoff." Dernæst, vi vil have en måling for Lead-208. "