Fysikere netto neutronstjerne guld fra måling af bly

Atomfysikere har lavet en ny, meget nøjagtig måling af tykkelsen af ​​neutron-"huden", der omfatter blykernen i eksperimenter udført ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility og netop offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve . Resultatet, som afslørede en neutronhudtykkelse på 0,28 milliontedele af en nanometer, har vigtige konsekvenser for strukturen og størrelsen af ​​neutronstjerner.

Protoner og neutroner, der danner kernen i hjertet af hvert atom i universet, hjælper med at bestemme hvert atoms identitet og egenskaber. Kernefysikere studerer forskellige kerner for at lære mere om, hvordan disse protoner og neutroner virker inde i kernen. Lead Radius Experiment-samarbejdet, kaldet PREx (efter det kemiske symbol for bly, Pb), studerer de fine detaljer om, hvordan protoner og neutroner fordeles i blykerner.

"Spørgsmålet er om, hvor neutronerne er i bly. Bly er en tung kerne - der er ekstra neutroner, men hvad angår atomkraften, en lige blanding af protoner og neutroner fungerer bedre, sagde Kent Paschke, en professor ved University of Virginia og eksperiment-medtalsmand.

Paschke forklarede, at lette kerner, dem med kun få protoner, har typisk lige mange protoner og neutroner indeni. Efterhånden som kerner bliver tungere, de har brug for flere neutroner end protoner for at forblive stabile. Alle stabile kerner, der har mere end 20 protoner, har flere neutroner end protoner. For eksempel, bly har 82 protoner og 126 neutroner. Måling af, hvordan disse ekstra neutroner er fordelt inde i kernen, er nøgleinput til at forstå, hvordan tunge kerner er sat sammen.

"Protonerne i en blykerne er i en kugle, og vi har fundet ud af, at neutronerne er i en større kugle omkring dem, og vi kalder det neutronhuden, sagde Paschke.

PREx-eksperimentresultatet, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve i 2012, gav den første eksperimentelle observation af denne neutronhud ved hjælp af elektronspredningsteknikker. Efter det resultat, samarbejdet gik ud på at foretage en mere præcis måling af dens tykkelse i PREx-II. Målingen blev udført i sommeren 2019 ved hjælp af Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Dette eksperiment, som den første, målte den gennemsnitlige størrelse af blykernen i forhold til dens neutroner.

Neutroner er svære at måle, fordi mange af de følsomme sonder, som fysikere bruger til at måle subatomære partikler, er afhængige af at måle partiklernes elektriske ladning gennem den elektromagnetiske interaktion, en af ​​de fire interaktioner i naturen. PREx gør brug af en anden fundamental kraft, den svage atomkraft, at studere neutronernes fordeling.

"Protoner har en elektrisk ladning og kan kortlægges ved hjælp af den elektromagnetiske kraft. Neutroner har ingen elektrisk ladning, men sammenlignet med protoner har de en stor svag ladning, og så hvis du bruger den svage interaktion, du kan finde ud af, hvor neutronerne er." forklarede Paschke.

I forsøget en præcist kontrolleret elektronstråle blev sendt ned i et tyndt ark kryogenisk afkølet bly. Disse elektroner drejede i deres bevægelsesretning, som en spiral på et fodboldpas.

Elektroner i strålen interagerede med hovedmålets protoner eller neutroner enten via den elektromagnetiske eller den svage interaktion. Mens den elektromagnetiske interaktion er spejlsymmetrisk, den svage interaktion er ikke. Det betyder, at elektronerne, der interagerede via elektromagnetisme, gjorde det uanset elektronernes spin-retning, mens elektronerne, der interagerede via den svage interaktion, fortrinsvis gjorde det oftere, når spindet var i den ene retning kontra den anden.

"Ved at bruge denne asymmetri i spredningen, vi kan identificere styrken af ​​interaktionen, og det fortæller os størrelsen af ​​det volumen, der er optaget af neutroner. Det fortæller os, hvor neutronerne er sammenlignet med protonerne." sagde Krishna Kumar, en eksperimentmedtalsmand og professor ved University of Massachusetts Amherst.

Målingen krævede en høj grad af præcision for at udføre succesfuldt. Gennem hele forsøgsforløbet, elektronstrålens spin blev vendt fra en retning til dens modsatte 240 gange i sekundet, og derefter rejste elektronerne næsten en kilometer gennem CEBAF-acceleratoren, før de blev præcist placeret på målet.

"I gennemsnit over hele løbeturen, vi vidste, hvor højre og venstre bjælker var, i forhold til hinanden, inden for en bredde på 10 atomer, " sagde Kumar.

De elektroner, der havde spredt blykerner, mens de efterlod dem intakte, blev opsamlet og analyseret. Derefter, PREx-II-samarbejdet kombinerede det med det tidligere 2012-resultat og præcisionsmålinger af blykernens protonradius, som ofte omtales som dens ladningsradius.

"Ladningsradius er omkring 5,5 femtometer. Og neutronfordelingen er lidt større end det - omkring 5,8 femtometer, så neutronhuden er 0,28 femtometer, eller omkring 0,28 milliontedele af en nanometer, " sagde Paschke.

Forskerne sagde, at denne figur er tykkere end nogle teorier havde foreslået, som har betydning for de fysiske processer i neutronstjerner og deres størrelse.

"Dette er den mest direkte observation af neutronhuden. Vi finder det, vi kalder en stiv tilstandsligning - højere end forventet tryk, så det er svært at presse disse neutroner ind i kernen. Og så, vi finder ud af, at tætheden inde i kernen er en lille smule lavere end forventet, sagde Paschke.

"Vi skal kende indholdet af neutronstjernen og tilstandsligningen, og så kan vi forudsige egenskaberne af disse neutronstjerner, " sagde Kumar. "Så, Det, vi bidrager med til feltet med denne måling af blykernen, giver dig mulighed for bedre at ekstrapolere til neutronstjernernes egenskaber."

Den uventede stive tilstandsligning, der er impliceret af PREx-resultatet, har dybe forbindelser til nylige observationer af kolliderende neutronstjerner lavet af det Nobelprisvindende Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO, eksperiment. LIGO er et storstilet fysikobservatorium, der er designet til at detektere gravitationsbølger.

"Når neutronstjerner begynder at spiralere rundt om hinanden, de udsender gravitationsbølger, der detekteres af LIGO. Og da de kommer tæt på i den sidste brøkdel af et sekund, tyngdekraften fra den ene neutronstjerne gør den anden neutronstjerne til en dråbe - den bliver faktisk aflang som en amerikansk fodbold. Hvis neutronhuden er større, så betyder det en bestemt form for fodbolden, og hvis neutronhuden var mindre, det betyder en anden form for fodbolden. Og fodboldens form måles ved LIGO, " sagde Kumar. "LIGO-eksperimentet og PREx-eksperimentet gjorde meget forskellige ting, men de er forbundet med denne fundamentale ligning - ligningen for nukleart stofs tilstand."