Hochauflösende Messungen zeigen, dass die „Haut“ des Neutronensterns weniger als eine Million Nanometer dick ist

Kernphysiker führen neue hochauflösende Messungen der Neutronenschicht durch, die den Bleikern umfasst, und enthüllen neue Informationen über Neutronensterne.

Kernphysiker haben eine neue und hochgenaue Messung der Dicke der „Haut“ von Neutronen durchgeführt, die einen Bleikern in Experimenten enthält, die in der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums durchgeführt und gerade in veröffentlicht wurden Physische Überprüfungsschreiben. Das Ergebnis, das eine Neutronenhautdicke von 0,28 ppm eines Nanometers ergab, hat wichtige Auswirkungen auf die Struktur und Größe von Neutronensternen.

Die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht, bilden jeweils den Kern Mais Im Universum hilft es, die Identität und Eigenschaften jedes Atoms zu definieren. Kernphysiker untersuchen verschiedene Kerne, um mehr darüber zu erfahren, wie diese Protonen und Neutronen im Kern funktionieren. Die Kollision des Blei-Radius-Experiments mit dem Namen PREx (nach dem chemischen Symbol für Blei, Pb) untersucht die Feinheiten der Verteilung von Protonen und Neutronen in Bleikernen.

Die Frage ist, wo sich die Neutronen im Vordergrund befinden. Kent Bashki, Professor an der Universität von Virginia und Sprecher des Experiments, sagte, Blei sei ein schwerer Kern – es gibt zusätzliche Neutronen, aber was die Kernkraft betrifft, funktioniert eine gleiche Mischung aus Protonen und Neutronen besser.

Die Jefferson Laboratory Experimental Hall ist einer von vier Bereichen der Kernphysikforschung in der Continuous Electron Beam Acceleration Facility des Labors. Bildnachweis: Jefferson Laboratory des Energieministeriums

Bashki erklärte, dass Lichtkerne, die nur wenige Protonen enthalten, normalerweise die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen enthalten. Wenn Kerne schwerer werden, benötigen sie mehr Neutronen als Protonen, um stabil zu bleiben. Alle stabilen Kerne mit mehr als 20 Protonen enthalten mehr Neutronen als Protonen. Zum Beispiel hat Blei 82 Protonen und 126 Neutronen. Die Messung der Verteilung dieser zusätzlichen Neutronen im Kern ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Gruppierung schwerer Kerne.

„Die Protonen im Bleikern befinden sich in einer Kugel“, sagte Bashki. „Wir haben festgestellt, dass sich die Neutronen in einer größeren Kugel befinden, und wir nennen sie die Neutronenhaut.“

Das Ergebnis der PREx-Studie wurde in veröffentlicht Physische Überprüfungsschreiben 2012 wurde die erste experimentelle Beobachtung dieser Neutronenhaut mithilfe von Elektronenstreutechniken durchgeführt. Nach diesem Ergebnis wurde die Zusammenarbeit mit einer genaueren Messung der Dicke in PREx-II fortgesetzt. Die Messung wurde im Sommer 2019 mit der Continuous Electron Beam Accelerator Facility durchgeführt, einer gebrauchten Einrichtung des Science Office des Department of Energy. In diesem Experiment wurde wie im ersten Experiment die durchschnittliche Größe des Bleikerns in Neutronen gemessen.

Neutronen sind schwer zu messen, da viele der empfindlichen Sensoren, mit denen Physiker subatomare Partikel messen, auf der Messung der elektrischen Ladung von Partikeln durch die elektromagnetische Wechselwirkung beruhen, die eine der vier Reaktionen in der Natur ist. PREx verwendet eine andere fundamentale Kraft, die schwache Kernkraft, um die Verteilung von Neutronen zu untersuchen.

„Protonen haben eine elektrische Ladung und können anhand der elektromagnetischen Kraft bestimmt werden. Neutronen haben keine elektrische Ladung, aber im Vergleich zu Protonen haben sie eine große schwache Ladung. Wenn Sie also die schwache Wechselwirkung nutzen, können Sie herausfinden, wo die Neutronen sind sind “, erklärte Baschke.

In dem Experiment wurde ein fein gesteuerter Elektronenstrahl gesendet, der in eine dünne Schicht kaltgekühlten Bleis geschlagen wurde. Diese Elektronen drehten sich in Bewegungsrichtung wie eine Helix auf einem Fußball.

Elektronen im Strahl wechselwirkten mit Protonen oder Neutronen des Hauptziels entweder mittels einer elektromagnetischen Wechselwirkung oder der schwachen Wechselwirkung. Während die elektromagnetische Reaktion isomorph ist, ist die schwache Wechselwirkung nicht. Dies bedeutet, dass die Elektronen, die über Elektromagnetismus wechselwirkten, dies unabhängig von der Drehrichtung der Elektronen taten, während die Elektronen, die über die schwache Wechselwirkung wechselwirkten, bevorzugter wechselwirkten, wenn sich die Spins in einer Richtung gegenüber der anderen befanden.

„Durch die Verwendung von Asymmetrie bei der Streuung können wir die Stärke der Reaktion bestimmen. Dies zeigt uns, wie viel Volumen die Neutronen einnehmen. Es zeigt uns, wo die Neutronen mit den Protonen verglichen werden.“ Sagte Krishna Kumar, Sprecher des Prozesses und Professor an der University of Massachusetts Amherst.

Die Messung erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit, um erfolgreich durchgeführt zu werden. Während des experimentellen Experiments wurde der Elektronenstrahl 240 Mal pro Sekunde von einer Richtung in die entgegengesetzte Richtung gedreht, dann schnitten die Elektronen fast eine Meile durch den CEBAF-Beschleuniger, bevor sie genau auf das Ziel platziert wurden.

„Im Durchschnitt über den gesamten Bereich wussten wir, wo sich der rechte und der linke Strahl relativ zueinander im weiten Bereich von 10 Atomen befanden“, sagte Kumar.

Die Elektronen, die von den Bleikernen gestreut wurden, wurden gesammelt und analysiert, während sie intakt blieben. Die PREx-II-Zusammenarbeit kombinierte es mit dem Ergebnis von 2012 und präzisen Messungen des Protonenradius eines Bleikerns, der häufig als Ladungsradius bezeichnet wird.

Der Radius der Ladung beträgt ca. 5,5 Femtometer. Die Neutronenverteilung ist etwas größer – etwa 5,8 Femtometer, sodass die Größe der Neutronenhaut 0,28 Femtometer oder etwa 28 ppm pro Nanometer beträgt “, sagte Baschke.

Die Forscher sagten, diese Zahl sei dicker als von einigen Theorien vorgeschlagen, was die physikalischen Prozesse in Neutronensternen und ihre Größe beeinflusst.

„Dies ist die direkteste Beobachtung der Neutronenauspeitschung. Wir finden, was wir die Festkörpergleichung nennen – einen Druck, der höher ist als erwartet, dass es schwierig ist, diese Neutronen in den Kern zu komprimieren. Daher haben wir festgestellt, dass die Dichte innerhalb der Kern ist etwas niedriger als erwartet „, sagte Baschke.

„Wir müssen den Inhalt kennen Neutronenstern Und die Zustandsgleichung, damit wir die Eigenschaften dieser Neutronensterne vorhersagen können “, sagte Kumar.„ Was wir mit dieser Messung des Bleikerns zum Feld beitragen, ermöglicht es Ihnen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu extrapolieren. “

Die unerwartet Festkörpergleichung, die das PREx-Ergebnis impliziert, hat tiefe Verbindungen zu jüngsten Beobachtungen kollidierender Neutronensterne, die vom Nobelpreis-Laser-Gravitationswellen-Observatorium oder gemacht wurden Lego, Experiment – er hat Experimente gemacht. LIGO ist ein großes physikalisches Observatorium, das zur Erkennung ausgelegt ist Gravitationswellen.

„Wenn Neutronensterne beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen, senden sie Gravitationswellen aus, die von LIGO erfasst wurden. Wenn sie sich im letzten Sekundenbruchteil nähern, macht die Schwerkraft eines Neutronensterns den anderen Neutronenstern tropfenförmig – es wird tatsächlich ein Rechteck wie ein Fußball. Amerikaner Wenn die Neutronenhaut größer ist, bedeutet dies eine bestimmte Form für Fußball, und wenn die Neutronenhaut kleiner ist, bedeutet dies eine andere Form für Fußball. “„ Die Form des Fußballs wird von LIGO gemessen. “„ Die LIGO Das Experiment und das PREx-Experiment haben sehr unterschiedliche Dinge getan, aber beide haben es getan „, sagte Kumar. Sie hängen mit dieser Grundgleichung zusammen – der Zustandsgleichung der Kernmaterie.“

Referenz: „Genaue Bestimmung der Neutronenhautdicke für ²⁰⁸Blei durch Valenzverletzung bei der Elektronenstreuung „Von D. Adhikari et al. (PREX Collaboration), 27. April 2021, hier verfügbar. Physische Überprüfungsschreiben.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Die experimentelle Zusammenarbeit mit PREx-II umfasst 13 Doktoranden. Studenten und sieben Postdoktoranden sowie mehr als 70 weitere Wissenschaftler aus fast 30 Institutionen.

Diese Arbeit wurde vom Wissenschaftsbüro des Energieministeriums, der National Science Foundation, dem kanadischen Forschungsrat für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen (NSERC) und dem italienischen Institut Nucleare (INFN) unterstützt.