Protoner kan have en stor indflydelse på egenskaberne af neutronstjerner og andre neutronrige objekter

Neutronstjerner er de mindste, de tætteste stjerner i universet, født af tyngdekraftens sammenbrud af ekstremt massive stjerner. Tro mod deres navn, neutronstjerner består næsten udelukkende af neutroner - neutrale subatomære partikler, der er blevet komprimeret til en lille, utrolig tæt himmelsk pakke.

En ny undersøgelse i Natur , ledet af MIT-forskere, antyder, at nogle egenskaber ved neutronstjerner ikke kun kan påvirkes af deres mangfoldighed af tætpakkede neutroner, men også af en væsentligt mindre brøkdel af protoner - positivt ladede partikler, der kun udgør 5 procent af en neutronstjerne.

I stedet for at stirre på stjernerne, forskerne kom til deres konklusion ved at analysere de mikroskopiske atomkerner på jorden.

Atomkernen er fyldt med protoner og neutroner, dog ikke helt så tæt som i neutronstjerner. Lejlighedsvis, hvis de er tæt nok på afstand, en proton og en neutron vil parre sig og streake gennem et atomkerne med usædvanligt høj energi. Sådanne "kortdistancekorrelationer, "som de er kendt, kan bidrage betydeligt til energibalancen og de overordnede egenskaber ved en given atomkerne.

Forskerne ledte efter tegn på proton- og neutronpar i carbonatomer, aluminium, jern, og bly, hver med et gradvist højere forhold mellem neutroner og protoner. De fandt ud af, at som det relative antal neutroner i et atom steg, det samme gjorde sandsynligheden for, at en proton ville danne et energisk par. Sandsynligheden for, at en neutron parrer sig, imidlertid, forblev omtrent det samme. Denne tendens tyder på, at i objekter med en høj densitet af neutroner, minoritetsprotonerne bærer en uforholdsmæssigt stor del af den gennemsnitlige energi.

"Vi tror, ​​at når du har en neutronrig kerne, gennemsnitlig, protonerne bevæger sig hurtigere end neutronerne, så på en måde, protoner udfører handlingen, "siger studieforfatteren Eller Hen, adjunkt i fysik ved MIT. "Vi kan kun forestille os, hvad der kan ske i endnu mere neutron-tætte objekter som neutronstjerner. Selvom protoner er mindretallet i stjernen, vi synes, at mindretallet styrer. Protoner ser ud til at være meget aktive, og vi tror, ​​at de kan bestemme flere egenskaber ved stjernen. "

Grave gennem data

Hen og hans kolleger baserede deres undersøgelse på data indsamlet af CLAS - CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer, en partikelaccelerator og detektor baseret på Jefferson Laboratory i Virginia. CLAS, som fungerede fra 1998 til 2012, blev designet til at detektere og registrere de flere partikler, der udsendes, når elektronstråler rammer atommål.

"At have denne egenskab af en detektor, der ser alt og også gemmer alt til offline -analyse, er ekstremt sjældent, "Hen siger." Det har endda bevaret, hvad folk betragtede som 'støj, 'og vi lærer nu, at en persons støj er en anden persons signal. "

Teamet valgte at udvinde CLAFs arkiverede data for tegn på kortdistancekorrelationer-interaktioner, som detektoren ikke nødvendigvis var beregnet til at producere, men at den alligevel fangede.

"Folk brugte detektoren til at se på specifikke interaktioner, men imens, den målte også parallelt en flok andre reaktioner, der fandt sted, "siger samarbejdspartner Larry Weinstein, en professor i fysik ved Old Dominion University. "Så vi tænkte, 'Lad os grave i disse data og se, om der er noget interessant der.' Vi vil presse så meget videnskab som muligt ud af eksperimenter, der allerede er kørt. "

Et fuldt dansekort

Holdet valgte at udvinde CLAS -data indsamlet i 2004, under et forsøg, hvor detektoren rettede elektronstråler mod kulstof, aluminium, jern, og blyatomer, med det mål at observere, hvordan partikler, der produceres i nukleare interaktioner, bevæger sig gennem hvert atoms henholdsvis større volumen. Sammen med deres forskellige størrelser, hver af de fire typer atomer har forskellige forhold mellem neutroner og protoner i deres kerner, med kulstof, der har færrest neutroner og bly, der har flest.

Genanalysen af ​​dataene blev udført af kandidatstuderende Meytal Duer fra Tel Aviv University i et samarbejde med MIT og Old Dominion University, og blev ledet af Hen. Den samlede undersøgelse blev udført af et internationalt konsortium kaldet CLAS Collaboration, består af 182 medlemmer fra 42 institutioner i 9 lande.

Gruppen undersøgte dataene for tegn på højenergiprotoner og neutroner-indikationer på at partiklerne havde parret sig-og om sandsynligheden for denne parring ændrede sig, da forholdet mellem neutroner og protoner steg.

"Vi ville starte fra en symmetrisk kerne og se, efterhånden som vi tilføjer flere neutroner, hvordan tingene udvikler sig, "Hen siger." Vi ville aldrig komme til neutronstjernernes symmetrier her på Jorden, men vi kunne i det mindste se en tendens og forstå fra det, hvad der kunne ske i stjernen. "

Til sidst, holdet observerede, at efterhånden som antallet af neutroner i atomets kerne steg, sandsynligheden for at protoner har høje energier (og har koblet sig sammen med en neutron) steg også betydeligt, mens den samme sandsynlighed for neutroner forblev den samme.

”Den analogi, vi gerne vil give, er, at det er som at gå til et dansefest, "Hen siger, påberåber sig et scenario, hvor drenge, der kan parre sig med piger på dansegulvet, er stort set i undertal. "Det, der ville ske, er den gennemsnitlige dreng ville ... danse meget mere, så selvom de var et mindretal i partiet, drengene, ligesom protoner, ville være ekstremt aktiv. "

Hen siger, at denne trend med energiske protoner i neutronrige atomer kan strække sig til endnu mere neutron-tætte objekter, såsom neutronstjerner. Protonernes rolle i disse ekstreme objekter kan da være mere signifikant end folk tidligere havde mistanke om. Denne åbenbaring, Hen siger, kan ryste forskernes forståelse af, hvordan neutronstjerner opfører sig. For eksempel, da protoner kan bære væsentligt mere energi end tidligere antaget, de kan bidrage til egenskaber ved en neutronstjerne, såsom dens stivhed, dets forhold mellem masse og størrelse, og dens afkølingsproces.

"Alle disse egenskaber påvirker derefter, hvordan to neutronstjerner smelter sammen, som vi tror er en af ​​de vigtigste processer i universet, der skaber kerner, der er tungere end jern, såsom guld, "Hen siger." Nu hvor vi ved, at den lille brøkdel af protoner i stjernen er meget stærkt korreleret, vi bliver nødt til at genoverveje, hvordan [neutronstjerner] opfører sig. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.