Измерения с высоким разрешением показывают, что «кожа» нейтронной звезды имеет толщину менее миллиона нанометров.

Иллюстрация мощной рентгеновской вспышки, исходящей от магнитной звезды — супермагнитной версии звездного остатка, известного как нейтронная звезда. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Крис Смит (USRA)

Физики-ядерщики проводят новые измерения нейтронного слоя, окружающего ядро ​​свинца, с высоким разрешением, открывая новую информацию о нейтронных звездах.

Ядерные физики выполнили новое и высокоточное измерение толщины нейтронной «кожи», которая включает в себя свинцовую активную зону, в экспериментах, проведенных в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США и только что опубликованных в Письма с физическим обзором. Результат, который показал, что нейтронная скин-оболочка составляет 0,28 ppm нанометра, имеет важное значение для структуры и размера нейтронных звезд.

Протоны и нейтроны, составляющие ядро, находятся в основе каждого кукуруза Во Вселенной это помогает определить идентичность и свойства каждого атома. Физики-ядерщики изучают различные ядра, чтобы узнать больше о том, как эти протоны и нейтроны работают внутри ядра. Коллаборация Lead Radius Experiment, названная PREx (от химического символа свинца, Pb), изучает тонкости распределения протонов и нейтронов в ядрах свинца.

Вопрос в том, где нейтроны на переднем плане. Кент Башки, профессор Университета Вирджинии и представитель эксперимента, сказал, что свинец — это тяжелое ядро ​​- есть дополнительные нейтроны, но что касается ядерной силы, равная смесь протонов и нейтронов работает лучше.

Экспериментальный зал лаборатории Джефферсона — одно из четырех направлений ядерно-физических исследований в лаборатории непрерывного ускорения электронного пучка. Предоставлено: Лаборатория Джефферсона Министерства энергетики.

Башки объяснил, что легкие ядра, которые содержат всего несколько протонов, обычно имеют в себе равное количество протонов и нейтронов. По мере того, как ядра становятся тяжелее, им нужно больше нейтронов, чем протонов, чтобы оставаться стабильными. Все стабильные ядра с более чем 20 протонами содержат больше нейтронов, чем протонов. Например, в свинце 82 протона и 126 нейтронов. Измерение того, как эти дополнительные нейтроны распределяются в ядре, является ключевым фактором для понимания того, как тяжелые ядра группируются вместе.

«Протоны в ядре свинца образуют шар, — сказал Башки. — Мы обнаружили, что нейтроны находятся в более крупном шаре вокруг него, и мы называем это нейтронной оболочкой».

Результат исследования PREx опубликован в Письма с физическим обзором В 2012 году было проведено первое экспериментальное наблюдение нейтронной оболочки с использованием методов рассеяния электронов. После этого результата сотрудничество приступило к более точному измерению его толщины в PREx-II. Измерения проводились летом 2019 года с использованием ускорителя непрерывного электронного пучка, бывшего в употреблении Научного управления Министерства энергетики. В этом эксперименте, как и в первом, измерялся средний размер ядра свинца в нейтронах.

Нейтроны трудно измерить, потому что многие чувствительные датчики, которые физики используют для измерения субатомных частиц, полагаются на измерение электрического заряда частиц посредством электромагнитного взаимодействия, которое является одной из четырех реакций в природе. PREx использует другую фундаментальную силу, слабую ядерную силу, для изучения распределения нейтронов.

«Протоны имеют электрический заряд и могут быть определены с помощью электромагнитной силы. Нейтроны не имеют электрического заряда, но по сравнению с протонами, они имеют большой слабый заряд, поэтому, если вы используете слабое взаимодействие, вы можете узнать, где находятся нейтроны. — объяснил Башке.

В ходе эксперимента точно управляемый пучок электронов был направлен в тонкий лист холодно охлажденного свинца. Эти электроны вращались в направлении своего движения, как спираль на футбольном мяче.

Электроны в пучке взаимодействуют с протонами или нейтронами основной мишени либо посредством электромагнитного взаимодействия, либо посредством слабого взаимодействия. В то время как электромагнитная реакция изоморфна, слабое взаимодействие — нет. Это означает, что электроны, которые взаимодействовали посредством электромагнетизма, делали это независимо от направления вращения электронов, тогда как электроны, которые взаимодействовали посредством слабого взаимодействия, взаимодействовали более предпочтительно, когда спины были в одном направлении, а не в другом.

«Используя асимметрию в рассеянии, мы можем определить силу реакции, и это говорит нам, какой объем занимают нейтроны. Это говорит нам, где нейтроны сравниваются с протонами». Сказал Кришна Кумар, пресс-секретарь суда и профессор Массачусетского университета в Амхерсте.

Для успешного выполнения измерения требуется высокая степень точности. Во время экспериментального эксперимента электронный луч переворачивался с одного направления на противоположное 240 раз в секунду, затем электроны прорезали почти милю через ускоритель CEBAF, прежде чем точно попали на цель.

«В среднем по всему диапазону мы знали, где находятся правый и левый луч относительно друг друга в диапазоне 10 атомов», — сказал Кумар.

Электроны, которые были рассеяны ядрами свинца, собирались и анализировались, оставляя их нетронутыми. Затем коллаборация PREx-II объединила его с предыдущим результатом 2012 года и точными измерениями протонного радиуса свинцового ядра, который часто называют зарядовым радиусом.

Радиус заряда составляет около 5,5 фемтометра. Распределение нейтронов немного больше — около 5,8 фемтометра, поэтому размер нейтронной оболочки составляет 0,28 фемтометра, или около 28 частей на миллион нанометра », — сказал Башке.

Исследователи заявили, что это число больше, чем предполагают некоторые теории, что влияет на физические процессы в нейтронных звездах и их размер.

«Это наиболее прямое наблюдение нейтронной порки. Мы находим то, что мы называем уравнением твердого тела — давление выше, чем ожидалось, что затрудняет сжатие этих нейтронов в ядро. Таким образом, мы обнаружили, что плотность внутри ядро немного ниже, чем ожидалось », — сказал Башке.

«Нам нужно знать содержание Нейтронная звезда И уравнение состояния, чтобы мы могли предсказать свойства этих нейтронных звезд, — сказал Кумар. — Итак, то, что мы вносим в поле с помощью этого измерения ядра свинца, позволяет лучше экстраполировать свойства нейтронных звезд ».

Неожиданно твердотельное уравнение, вытекающее из результата PREx, имеет глубокие связи с недавними наблюдениями сталкивающихся нейтронных звезд, сделанными лауреатом Нобелевской премии лазерной гравитационно-волновой обсерваторией, или конструктор Лего, Эксперимент — эксперименты делал. LIGO — это крупномасштабная физическая обсерватория, предназначенная для обнаружения Гравитационные волны.

«Когда нейтронные звезды начинают вращаться вокруг друг друга, они излучают гравитационные волны, которые были обнаружены LIGO. Когда они приближаются за последнюю долю секунды, гравитация одной нейтронной звезды делает другую нейтронную звезду каплевидной — она ​​фактически становится прямоугольником, похожим на футбольный мяч. Американский. Если нейтронная оболочка больше, это означает определенную форму для футбола, а если нейтронная оболочка меньше, то это означает другую форму для футбола ».« Форма футбольного мяча измеряется LIGO ». «Эксперимент и эксперимент PREx сделали очень разные вещи, но оба они сделали», — сказал Кумар. Они связаны с этим основным уравнением — уравнением состояния ядерной материи ».

Ссылка: «Точное определение нейтронной толщины скин-слоя для ²⁰⁸Нарушение валентности в рассеянии электронов «Авторы: Д. Адхикари и др. (Сотрудничество PREX), 27 апреля 2021 г., доступно здесь. Письма с физическим обзором.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Экспериментальная коллаборация PREx-II включает 13 кандидатов наук. Студенты и семь участников постдокторских исследований, а также более 70 других ученых из почти 30 институтов.

Эта работа была поддержана Научным отделом Министерства энергетики, Национальным научным фондом, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC) и Итальянским институтом ядерных исследований (INFN).