Фізики-ядерники провели новий, високоточний вимір товщини нейтронної «шкіри», яка охоплює свинцеве ядро, в експериментах, проведених у Національному прискорювальному центрі Томаса Джефферсона і щойно опублікованих у Physical Review Letters. Результат, який показав товщину нейтронної оболонки в 0,28 мільйонних часток нанометра, має важливе значення для структури і розміру нейтронних зірок.
Протони і нейтрони, які утворюють ядро в серці кожного атома у Всесвіті, допомагають визначити ідентичність і властивості кожного атома. Фізики-ядерники вивчають різні ядра, щоб дізнатися більше про те, як протони і нейтрони діють всередині ядра. Спільна робота з експерименту з радіусом свинцю, що отримала назву PREx (за хімічним позначенням свинцю, Pb), вивчає тонкі деталі розподілу протонів і нейтронів в ядрах свинцю.
"Питання в тому, де знаходяться нейтрони в свинці. Свинець - важке ядро, в ньому є додаткові нейтрони, але що стосується ядерної сили, то рівне поєднання протонів і нейтронів працює краще ", - говорить Кент Пашке, професор Університету Вірджинії і співавтор експерименту.
Легкі ядра, в яких всього кілька протонів, зазвичай мають однакову кількість протонів і нейтронів всередині. У міру того як ядра стають важчими, їм потрібно більше нейтронів, ніж протонів, щоб залишатися стабільними.
Усі стабільні ядра, що мають понад 20 протонів, мають більше нейтронів, ніж протонів. Наприклад, свинець містить 82 протони і 126 нейтронів. Вимірювання того, як ці додаткові нейтрони розподіляються всередині ядра, є ключовим внеском у розуміння того, як важкі ядра збираються разом.
«Протони в ядрі свинцю знаходяться в сфері, і ми виявили, що нейтрони знаходяться в більшій сфері навколо них, і ми називаємо це нейтронною оболонкою», - кажуть вчені.
Результат експерименту PREx, опублікований у Physical Review Letters у 2012 році, забезпечив перше експериментальне спостереження цієї нейтронної оболонки з використанням методів розсіювання електронів. Слідом за цим результатом співпраця приступила до більш точного вимірювання його товщини в PREx-II. Вимірювання було проведено влітку 2019 року з використанням Установки прискорювача безперервного електронного пучка. Цей експеримент, як і перший, вимірював середній розмір ядра свинцю в перерахунку на його нейтрони.
Нейтрони важко виміряти, тому що багато чутливих зондів, які фізики використовують для вимірювання субатомних частинок, покладаються на вимірювання електричного заряду частинок за допомогою електромагнітної взаємодії, однієї з чотирьох взаємодій в природі. PREx використовує іншу фундаментальну силу - слабку ядерну силу, для вивчення розподілу нейтронів.
"Протони мають електричний заряд і можуть бути нанесені на карту за допомогою електромагнітної сили. Нейтрони не мають електричного заряду, але порівняно з протонами вони мають великий слабкий заряд, і тому, якщо ви використовуєте слабку взаємодію, ви можете з'ясувати, де знаходяться нейтрони ", - пояснив Кент Пашке.
Під час експерименту точно контрольований пучок електронів був спрямований на тонкий лист кріогенно охолодженого свинцю. Ці електрони оберталися в напрямку свого руху.
Електрони в пучці взаємодіяли з протонами або нейтронами свинцевої мішені або через електромагнітну, або через слабку взаємодію. У той час як електромагнітна взаємодія дзеркально симетрична, слабка взаємодія - ні. Це означає, що електрони, які взаємодіють за допомогою електромагнетизму, робили це незалежно від напрямку спина електронів, в той час як електрони, що взаємодіють за допомогою слабкої взаємодії, переважно робили це частіше, коли спин був в одному напрямку порівняно з іншим.
"Використовуючи цю асиметрію в розсіянні, ми можемо визначити силу взаємодії, і це говорить нам про розмір обсягу, що займається нейтронами. Він говорить нам, де нейтрони порівнюються з протонами ", - сказав Крішна Кумар, співавтор експерименту і професор Массачусетського університету.
Для успішного проведення вимірювань потрібна була висока ступінь точності. Протягом усього експерименту спин електронного пучка перемикався з одного напрямку в протилежне 240 разів на секунду, а потім електрони пролітали майже півтора кілометра через прискорювач CEBAF, перш ніж були точно поміщені на мішень.
«У середньому за весь пробіг ми знали, де знаходяться правий і лівий промені відносно один одного в межах ширини 10 атомів», - кажуть фізики.
Електрони, які розсіялися від ядер свинцю, залишивши їх недоторканими, були зібрані і проаналізовані. Потім співпраця PREx-II об'єднала його з попереднім результатом 2012 року і точними вимірами радіусу протона ядра свинцю, який часто називають радіусом його заряду.
"Радіус заряду становить близько 5,5 фемтометрів. І розподіл нейтронів трохи більше цього - близько 5,8 фемтометрів, так що нейтронна оболонка становить 0,28 фемтометра, або близько того. 28 мільйонних нанометра ".
Дослідники заявили, що ця цифра більша, ніж припускали деякі теорії, що має значення для фізичних процесів у нейтронних зірках і їх розміру.
"Це саме пряме спостереження нейтронної оболонки. Ми знаходимо те, що ми називаємо жорстким рівнянням стану - більш високий, ніж очікувалося, тиск, так що важко втиснути ці нейтрони в ядро. Отже, ми виявили, що щільність всередині ядра трохи нижча, ніж очікувалося ".
«Нам потрібно знати зміст нейтронної зірки і рівняння стану, і тоді ми зможемо передбачити властивості цих нейтронних зірок», - кажуть дослідники. «Отже, те, що ми отримуємо після цього вимірювання ядра свинцю, дозволяє краще екстраполювати на властивості нейтронних зірок».
Несподівано жорстке рівняння стану, передбачуване результатом PREx-II, має глибокі зв'язки з недавніми спостереженнями нейтронних зірок, зробленими в експерименті з Гравітаційно-хвильовою обсерваторією лазерного інтерферометра, що отримала Нобелівську премію, або LIGO.
LIGO - це великомасштабна фізична обсерваторія, призначена для виявлення гравітаційних хвиль.
"Коли нейтронні зірки починають обертатися по спіралі один навколо одного, вони випускають гравітаційні хвилі, які виявляються LIGO. І коли вони наближаються в останню частку секунди, гравітаційне тяжіння однієї нейтронної зірки перетворює іншу нейтронну зірку на краплю - вона насправді стає довготривалою, як м'яч в американському футболі.
- Якщо нейтронна оболонка більша, то це означає певну форму для м'яча, а якщо нейтронна оболонка менше, це означає іншу форму. А форма футбольного м'яча вимірюється LIGO ", - сказав Крішна Кумар. «Експеримент LIGO і експеримент PREx робили дуже різні речі, але вони пов'язані цим фундаментальним рівнянням - рівнянням стану ядерної матерії».