Măsurătorile foarte precise arată că „pielea” stelei de neutroni are o grosime mai mică de o milionime de nanometri

Ilustrația unei puternice raze X a izbucnit dintr-un magnetar – o versiune supermagnetizată a unei rămășițe stelare cunoscută sub numele de stea neutronică. Credit: NASA Goddard Space Flight Center / Chris Smith (USRA)

Fizicienii nucleari efectuează noi măsurători de înaltă precizie a stratului de neutroni care înglobează nucleul de plumb, dezvăluind noi informații despre stelele de neutroni.

Fizicienii nucleari au făcut o nouă măsurare foarte precisă a grosimii „pielii” neutronice care cuprinde nucleul de plumb în experimente la Thomas Jefferson National Accelerator Facility din cadrul Departamentului de Energie al SUA și tocmai a publicat în Scrisori de examinare fizică. Rezultatul, care a dezvăluit o grosime a pielii neutronice de 0,28 milionimi de nanometru, are implicații importante pentru structura și dimensiunea stelelor de neutroni.

Protonii și neutronii care formează nucleul din inima fiecăruia atom în univers ajută la determinarea identității și proprietăților fiecărui atom. Fizicienii nucleari studiază diferite nuclee pentru a afla mai multe despre cum acționează acești protoni și neutroni în interiorul nucleului. Colaborarea Lead Radius Experiment, numită PREx (după simbolul chimic pentru plumb, Pb), studiază detaliile distribuției protonilor și neutronilor în nucleele de plumb.

„Întrebarea este unde sunt neutronii din plumb? Plumbul este un nucleu greu – există neutroni suplimentari, dar când vine vorba de forța nucleară, un amestec egal de protoni și neutroni funcționează cel mai bine ”, a spus Kent Paschke, profesor la Universitatea din Virginia și co-purtător de cuvânt al experimentului.

Sala experimentală Jefferson Lab A

Sala experimentală A a lui Jefferson Lab este una dintre cele patru zone de cercetare în fizică nucleară a instalației de accelerare continuă a fasciculului de electroni din laborator. Credit: DOE Jefferson Laboratory

Paschke a explicat că nucleele ușoare, cele cu doar câțiva protoni, au de obicei un număr egal de protoni și neutroni în interior. Pe măsură ce nucleele devin mai grele, au nevoie de mai mulți neutroni decât protoni pentru a rămâne stabile. Toate nucleele stabile care au mai mult de 20 de protoni au mai mulți neutroni decât protoni. De exemplu, plumbul are 82 de protoni și 126 de neutroni. Măsurarea modului în care acești neutroni suplimentari sunt distribuiți în interiorul nucleului este o parte cheie a înțelegerii modului în care nucleele grele sunt reunite.

READ  HOLE NEGRU: FENOMENUL INCREDIBIL OBSERVAT DE CERCETĂTORI

„Protonii dintr-un nucleu de plumb se află într-o sferă și am constatat că neutronii se află într-o sferă mai mare în jurul lor și numim asta pielea neutronilor”, a spus Paschke.

Rezultatul experimentului PREx, publicat în Scrisori de examinare fizică în 2012, a furnizat prima observație experimentală a acestei piele de neutroni utilizând tehnici de împrăștiere a electronilor. În urma acestui rezultat, colaborarea și-a propus să facă o măsurare mai precisă a grosimii sale în PREx-II. Măsurarea a fost efectuată în vara anului 2019 folosind Facilitatea de accelerare a fasciculului de electroni continuu, o instalație de utilizator a Oficiului Științei DOE. Acest experiment, ca și primul, a măsurat dimensiunea medie a nucleului de plumb în funcție de neutronii săi.

Neutronii sunt dificil de măsurat, deoarece multe dintre sondele sensibile pe care fizicienii le folosesc pentru a măsura particulele subatomice se bazează pe măsurarea sarcinii electrice a particulelor prin interacțiunea electromagnetică, una dintre cele patru interacțiuni ale naturii. PREx folosește o forță fundamentală diferită, forța nucleară slabă, pentru a studia distribuția neutronilor.

„Protonii au o sarcină electrică și pot fi mapate utilizând forța electromagnetică. Neutronii nu au o încărcare electrică, dar în comparație cu protoni au o sarcină slabă puternică și, prin urmare, dacă utilizați interacțiunea slabă, puteți afla unde sunt neutronii ”, a explicat Paschke.

În experiment, un fascicul de electroni controlat precis a fost trimis prăbușindu-se într-o foaie subțire de plumb răcit criogenic. Acești electroni se învârteau în direcția lor de mișcare, ca o spirală pe o pasă de fotbal.

Electronii din fascicul au interacționat cu protonii sau neutronii țintei principale, fie prin interacțiunea electromagnetică, fie prin interacțiunea slabă. În timp ce interacțiunea electromagnetică este simetrică în oglindă, interacțiunea slabă nu este. Aceasta înseamnă că electronii care au interacționat prin electromagnetism au făcut acest lucru indiferent de direcția de rotire a electronilor, în timp ce electronii care au interacționat prin interacțiunea slabă au făcut-o mai des atunci când rotirea a fost într-o direcție față de cealaltă.

READ  UE binecuvântează acordul nuclear al României cu 8 miliarde de dolari SUA - Știri

„Folosind această asimetrie în împrăștiere, putem identifica puterea interacțiunii și acest lucru ne spune mărimea volumului ocupat de neutroni. Ne spune unde neutronii se compară cu protonii. A spus Krishna Kumar, co-purtător de cuvânt al experimentului și profesor la Universitatea Massachusetts din Amherst.

Măsurarea a necesitat un grad ridicat de precizie pentru a fi efectuată cu succes. De-a lungul experimentului, rotația fasciculului de electroni a fost inversată de la o direcție la cealaltă de 240 de ori pe secundă, apoi electronii au parcurs aproape o milă prin acceleratorul CEBAF înainte de a fi așezați cu precizie pe țintă.

“În medie pe tot parcursul, am știut unde erau grinzile dreapta și stânga, una față de cealaltă, pe o lățime de 10 atomi”, a spus Kumar.

Electronii care s-au împrăștiat peste nucleele de plumb, lăsându-le intacte, au fost colectate și analizate. Apoi, colaborarea PREx-II a combinat-o cu rezultatul anterior din 2012 și măsurători de precizie ale razei protonului nucleului de plumb, numită adesea raza de încărcare a acestuia.

„Raza de încărcare este de aproximativ 5,5 femtometri. Iar distribuția neutronilor este puțin mai mare decât aceasta – aproximativ 5,8 femtometri, astfel încât pielea neutronilor este de 0,28 femtometri, sau aproximativ 0,28 milioane de miimi de nanometru ”, a spus Paschke.

Cercetătorii au spus că această cifră este mai groasă decât au sugerat unele teorii, ceea ce are implicații asupra proceselor fizice ale stelelor de neutroni și dimensiunii acestora.

„Aceasta este cea mai directă observare a pielii neutronice. Găsim ceea ce numim o ecuație rigidă de stare – o presiune mai mare decât se aștepta, așa că este greu să strângeți acești neutroni în nucleu. Și astfel, constatăm că densitatea din interiorul miezului este puțin mai mică decât era de așteptat ”, a spus Paschke.

READ  Editor JAMA în concediu pentru controverse rasiale

„Trebuie să cunoaștem conținutul stea neutronică și ecuația de stare, iar apoi putem prezice proprietățile acestor stele de neutroni ”, a spus Kumar. „Deci, ceea ce aducem pe câmp cu această măsurare a nucleului de plumb vă permite să extrapolați mai bine proprietățile stelelor de neutroni.”

Ecuația de starea neașteptat de rigidă implicată de rezultatul PREx are legături profunde cu observațiile recente ale stelelor de neutroni care se ciocnesc făcute de Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru laser câștigător al Premiului Nobel., Sau LIGO, experiment. LIGO este un observator de fizică pe scară largă conceput pentru a detecta valuri gravitationale.

„Când stelele de neutroni încep să se înfășoare una pe cealaltă, ele emit unde gravitaționale care sunt detectate de LIGO. Și pe măsură ce se apropie în ultima fracțiune de secundă, atracția gravitațională a unei stele de neutroni face ca cealaltă stea de neutroni să devină o lacrimă – de fapt devine alungită ca un fotbal american. Dacă pielea neutronică este mai mare, înseamnă o anumită formă pentru fotbal, iar dacă pielea neutronică a fost mai mică, înseamnă o formă diferită pentru fotbal. Iar forma mingii este măsurată de LIGO ”, a spus Kumar. „Experimentul LIGO și experimentul PREx au făcut lucruri foarte diferite, dar ele sunt legate de această ecuație fundamentală – ecuația stării materiei nucleare.

Referință: “Determinarea precisă a grosimii pielii de neutroni a 208Pb prin încălcarea parității în difuzarea electronică ”de D. Adhikari și colab. (Colaborare PREX), 27 aprilie 2021, Scrisori de examinare fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Colaborarea experimentală PREx-II include 13 doctorate. studenți și șapte asociați de cercetare postdoctorală, precum și peste 70 de alți oameni de știință din aproximativ 30 de instituții.

Această lucrare a fost susținută de Biroul de Științe DOE, Fundația Națională pentru Științe, Consiliul de Cercetări în Științe Naturale și Inginerie din Canada (NSERC) și Institutul Național Italian de Fisică Nucleare (INFN).

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *