Измерванията с висока разделителна способност показват, че „кожата“ на неутронната звезда е с дебелина под един милион нанометра

Илюстрация на мощен рентгенов взрив, експлодиращ от магнитна звезда – супермагнитна версия на звезден остатък, известен като неутронна звезда. Кредит: Център за космически полети на Госард на НАСА / Крис Смит (USRA)

Ядрените физици правят нови измервания с висока резолюция на неутронния слой, обхващащ оловното ядро, разкривайки нова информация за неутронните звезди.

Ядрените физици са извършили ново и изключително точно измерване на дебелината на неутронната „кожа“, което включва оловно ядро ​​в експерименти, проведени в Националния механизъм за ускорители на Томас Джеферсън на американското министерство на енергетиката и току-що публикувани в Писма за физически преглед. Резултатът, който разкри дебелина на неутронната кожа от 0,28 ppm на нанометър, има важни последици за структурата и размера на неутронните звезди.

Протоните и неутроните, които изграждат ядрото, са в основата на всеки от тях царевица Във Вселената помага да се определят идентичността и свойствата на всеки атом. Ядрените физици изучават различни ядра, за да научат повече за това как тези протони и неутрони работят в ядрото. Съвместният експеримент с радиус на олово, наречен PREx (след химичния символ за олово, Pb), изучава тънкостите при разпределението на протоните и неутроните в оловните ядра.

Въпросът е за това къде са неутроните на преден план. Кент Башки, професор от Университета на Вирджиния и говорител на експеримента, каза, че оловото е тежко ядро ​​- има допълнителни неутрони, но що се отнася до ядрената сила, еднаква смес от протони и неутрони работи по-добре.

Лабораторната експериментална зала на Джеферсън е една от четирите области на изследванията на ядрената физика в Устройството за непрекъснато ускоряване на електронните лъчи на лабораторията. Кредит: Лаборатория Джеферсън на Министерството на енергетиката

Башки обясни, че леките ядра, които съдържат само няколко протона, обикновено имат равен брой протони и неутрони вътре в тях. Тъй като ядрата стават по-тежки, те се нуждаят от повече неутрони, отколкото протони, за да останат стабилни. Всички стабилни ядра с повече от 20 протона съдържат повече неутрони от протоните. Например оловото има 82 протона и 126 неутрона. Измерването на това как тези допълнителни неутрони се разпределят в ядрото е ключов принос за разбирането как тежките ядра са групирани заедно.

„Протоните в оловното ядро ​​са в топка – каза Башки. – Открихме, че неутроните са в по-голяма топка около нея и я наричаме неутронна кожа.“

Резултатът от изпитанието PREx е публикуван през Писма за физически преглед През 2012 г. той направи първото експериментално наблюдение на тази неутронна кожа, използвайки техники за разсейване на електрони. След този резултат сътрудничеството продължи с по-точно измерване на дебелината му в PREx-II. Измерването беше извършено през лятото на 2019 г. с помощта на Устройството за непрекъснат електронен лъч, използвано съоръжение на Научния офис на Министерството на енергетиката. Този експеримент, както и първият, измерва средния размер на ядрото на олово по отношение на неутроните.

Неутроните са трудни за измерване, тъй като много от чувствителните сензори, които физиците използват за измерване на субатомни частици, разчитат на измерване на електрическия заряд на частиците чрез електромагнитното взаимодействие, което е една от четирите реакции в природата. PREx използва различна основна сила, слабата ядрена сила, за да изследва разпределението на неутроните.

„Протоните имат електрически заряд и могат да бъдат определени с помощта на електромагнитната сила. Неутроните нямат електрически заряд, но в сравнение с протоните, те имат голям слаб заряд, така че ако използвате слабото взаимодействие, можете да разберете къде са неутроните са “, обясни Башке.

В експеримента беше изпратен фино контролиран лъч от електрони, разбит в тънък лист студено охладено олово. Тези електрони се въртяха по посока на движението си, като спирала на футболна топка.

Електроните в лъча взаимодействаха с протони или неутрони на основната мишена или чрез електромагнитно взаимодействие, или чрез слабо взаимодействие. Докато електромагнитната реакция е изоморфна, слабото взаимодействие не е така. Това означава, че електроните, които са взаимодействали чрез електромагнетизъм, са го правили независимо от посоката на въртене на електроните, докато електроните, които са взаимодействали чрез слабото взаимодействие, са си взаимодействали по-преференциално, когато спиновете са били в едната посока спрямо другата.

„Използвайки асиметрия в разсейването, можем да определим силата на реакцията и това ни казва колко обем заема неутроните. Казва ни къде се сравняват неутроните с протоните.“ Саида Кришна Кумар, говорител на процеса и професор в Университета на Масачузетс Амхърст.

Измерването изисква висока степен на точност, за да се извърши успешно. По време на експерименталния експеримент електронният лъч беше обърнат от едната посока към противоположната му 240 пъти в секунда, след което електроните прерязаха близо една миля през ускорителя CEBAF, преди да бъдат точно поставени върху целта.

„Средно в целия обхват знаехме къде се намират десният и левият лъч, един спрямо друг, в обхвата от 10 атома“, каза Кумар.

Електроните, които бяха разпръснати от оловните ядра, бяха събрани и анализирани, докато бяха оставени непокътнати. След това, сътрудничеството PREx-II го комбинира с предишния резултат от 2012 г. и прецизни измервания на протонния радиус на оловно ядро, което често се нарича радиус на заряда.

Радиусът на заряда е около 5,5 фемтометра. Разпределението на неутроните е малко по-голямо – около 5,8 фемтометра, така че размерът на неутронната кожа е 0,28 фемтометра, или около 28 части на милион от нанометър “, каза Башке.

Изследователите казват, че този брой е по-дебел от това, което предполагат някои теории, което засяга физическите процеси в неутронните звезди и техния размер.

„Това е най-прякото наблюдение на неутронното бичуване. Откриваме това, което наричаме уравнение в твърдо състояние – налягане по-високо от очакваното, че е трудно да се компресират тези неутрони в ядрото. По този начин установихме, че плътността вътре в ядрото е малко по-ниско от очакваното „, каза Башке.

„Трябва да знаем съдържанието Неутронна звезда И уравнението на състоянието, за да можем да предскажем свойствата на тези неутронни звезди „, каза Кумар.„ И така, това, което допринасяме за полето с това измерване на оловното ядро, ви позволява по-добре да екстраполирате свойствата на неутронните звезди. „

Неочаквано уравнението в твърдо състояние, което се подразбира от резултата PREx, има дълбоки връзки с неотдавнашни наблюдения на сблъскващи се неутронни звезди, направени от Нобеловата награда за лазерна гравитационно-вълнова обсерватория, или Лего, Експериментирайте – той направи експерименти. LIGO е мащабна физическа обсерватория, която е предназначена за откриване Гравитационни вълни.

„Когато неутронните звезди започнат да се въртят около себе си, те излъчват гравитационни вълни, които бяха засечени от LIGO. С приближаването си в последната част от секундата, гравитацията на едната неутронна звезда прави другата неутронна звезда с форма на капка – тя всъщност се превръща в правоъгълник футболна топка. Американски Ако неутронната кожа е по-голяма, това означава определена форма за футбол, а ако неутронната кожа е по-малка, това означава различна форма за футбол. „“ Формата на футбола се измерва с LIGO. „“ The LIGO експериментът и експериментът PREx направиха много различни неща, но и двамата го направиха „, каза Кумар. Те са свързани с това основно уравнение – уравнението на състоянието на ядрената материя.“

Справка: „Точно определяне на дебелината на неутронната кожа за ²⁰⁸Ръководство от нарушение на валентността при разсейване на електрони „От D. Adhikari et al. (PREX Collaboration), 27 април 2021 г., достъпно тук. Писма за физически преглед.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Експерименталното сътрудничество PREx-II включва 13 докторанти. Студенти и седем участници в докторантски изследвания, както и над 70 други учени от близо 30 институции.

Тази работа беше подкрепена от Службата за наука на Министерството на енергетиката, Националната научна фондация, Съветът за природни науки и инженерни изследвания на Канада (NSERC) и Италианския институт по ядрена енергия (INFN).