Illustratie van een krachtige röntgenuitbarsting die explodeert vanuit een magnetische ster – een supermagnetische versie van een stellair overblijfsel dat bekend staat als een neutronenster. Krediet: NASA’s Goddard Space Flight Center / Chris Smith (USRA)
Kernfysici doen nieuwe metingen met hoge resolutie van de neutronenlaag die de leidende kern omvat en onthullen nieuwe informatie over neutronensterren.
Kernfysici hebben een nieuwe en zeer nauwkeurige meting uitgevoerd van de dikte van de neutronenhuid, inclusief een loden kern, in experimenten uitgevoerd bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse Department of Energy en zojuist gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven. Het resultaat, dat een neutronenhuiddikte van 0,28 ppm van een nanometer onthulde, heeft belangrijke implicaties voor de structuur en grootte van neutronensterren.
De protonen en neutronen waaruit de kern bestaat, vormen de kern van elk maïs In het universum helpt het de identiteit en eigenschappen van elk atoom te bepalen. Kernfysici bestuderen verschillende kernen om meer te weten te komen over hoe deze protonen en neutronen in de kern werken. De Lead Radius Experiment-samenwerking, PREx genaamd (naar het chemische symbool voor lood, Pb), bestudeert de subtiliteiten van hoe protonen en neutronen worden verdeeld in loodkernen.
De vraag is waar de neutronen op de voorgrond staan. Kent Bashki, een professor aan de Universiteit van Virginia en een woordvoerder van het experiment, zei dat lood een zware kern is – er zijn extra neutronen, maar wat de nucleaire kracht betreft, werkt een gelijk mengsel van protonen en neutronen beter.
De Jefferson Laboratory Experimental Hall is een van de vier gebieden van kernfysisch onderzoek in de Continuous Electron Beam Acceleration Facility van het laboratorium. Credit: Jefferson Laboratory van het Department of Energy
Bashki legde uit dat lichte kernen, die een paar protonen bevatten, meestal evenveel protonen als neutronen bevatten. Naarmate kernen zwaarder worden, hebben ze meer neutronen nodig dan protonen om stabiel te blijven. Alle stabiele kernen met meer dan 20 protonen bevatten meer neutronen dan protonen. Lood heeft bijvoorbeeld 82 protonen en 126 neutronen. Het meten van hoe deze extra neutronen in de kern worden verdeeld, is een belangrijke input om te begrijpen hoe zware kernen bij elkaar zijn gegroepeerd.
‘De protonen in de loden kern zitten in een bal,’ zei Bashki. ‘We ontdekten dat de neutronen in een grotere bal eromheen zitten en we noemen dat de neutronenhuid.’
Het resultaat van de PREx-studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven In 2012 maakte het de eerste experimentele waarneming van deze neutronenhuid met behulp van elektronenverstrooiingstechnieken. Na dit resultaat ging de samenwerking verder met een nauwkeurigere meting van de dikte in PREx-II. De meting is uitgevoerd in de zomer van 2019 met behulp van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een gebruikte faciliteit van het Science Office van het Department of Energy. Dit experiment heeft, net als het eerste, de gemiddelde grootte van de kern van een lead gemeten in termen van neutronen.
Neutronen zijn moeilijk te meten, omdat veel van de gevoelige sensoren die natuurkundigen gebruiken om subatomaire deeltjes te meten, vertrouwen op het meten van de elektrische lading van deeltjes via de elektromagnetische interactie, een van de vier reacties in de natuur. PREx gebruikt een andere fundamentele kracht, de zwakke kernkracht, om de verdeling van neutronen te bestuderen.
“Protonen hebben een elektrische lading en kunnen worden bepaald met behulp van de elektromagnetische kracht. Neutronen hebben geen elektrische lading, maar vergeleken met protonen hebben ze een grote zwakke lading, dus als je de zwakke interactie gebruikt, kun je erachter komen waar de neutronen zijn, ‘legde Baschke uit.
In het experiment werd een fijn geregelde elektronenbundel gestuurd, die in een dunne laag koudgekoeld lood werd geslagen. Deze elektronen draaiden in de richting van hun beweging, als een helix op een voetbal.
Elektronen in de bundel interageerden met protonen of neutronen van het hoofddoel, hetzij door middel van een elektromagnetische interactie, hetzij door de zwakke interactie. Hoewel de elektromagnetische reactie isomorf is, is de zwakke interactie dat niet. Dit betekent dat de elektronen die via elektromagnetisme interageerden, dit deden ongeacht de richting van de rotatierichting van de elektronen, terwijl de elektronen die via de zwakke interactie interageerden een grotere voorkeur hadden wanneer de spins in de ene richting waren dan in de andere.
“Door asymmetrie te gebruiken bij verstrooiing, kunnen we de sterkte van de reactie bepalen, en dit vertelt ons hoeveel volume de neutronen innemen. Het vertelt ons waar de neutronen worden vergeleken met de protonen.” Said Krishna Kumar, woordvoerder van het proces en professor aan de Universiteit van Massachusetts Amherst.
De meting vereist een hoge mate van nauwkeurigheid om succesvol te kunnen zijn. Tijdens het experimentele experiment werd de elektronenbundel 240 keer per seconde van de ene richting naar de andere kant gedraaid, en de elektronen reisden vervolgens ongeveer anderhalve kilometer door de CEBAF-versneller voordat ze precies op het doelwit werden geplaatst.
“Gemiddeld wisten we over het volledige bereik waar de rechter- en linkerstraal zich bevonden, ten opzichte van elkaar, in het brede bereik van 10 atomen,” zei Kumar.
De elektronen die uit de loden kernen werden verstrooid, werden verzameld en geanalyseerd terwijl ze intact lieten. Vervolgens combineerde de PREx-II-samenwerking het met het resultaat uit 2012 en precieze metingen van de protonenradius van een loden kern, die vaak de ladingsradius wordt genoemd.
De straal van de lading is ongeveer 5,5 femtometer. De neutronenverdeling is iets groter – ongeveer 5,8 femtometers, dus de neutronenhuid is 0,28 femtometer, of ongeveer 28 deeltjes per miljoen nanometer, “zei Baschke.
De onderzoekers zeiden dat dit aantal dikker is dan wat sommige theorieën hebben gesuggereerd, wat de fysieke processen in neutronensterren en hun grootte beïnvloedt.
“Dit is de meest directe waarneming van het geseling van neutronen. We vinden wat we de solid-state-vergelijking noemen – een druk die hoger is dan verwacht dat het moeilijk is om deze neutronen in de kern samen te drukken. kern is iets lager dan verwacht, “zei Baschke.
“We moeten de inhoud weten Neutronenster En de toestandsvergelijking, zodat we de eigenschappen van deze neutronensterren kunnen voorspellen, “zei Kumar.” Dus wat we aan het veld bijdragen met deze meting van de loden kern, stelt je in staat om de eigenschappen van neutronensterren beter te extrapoleren. “
De onverwacht rigide toestandsvergelijking die door het PREx-resultaat wordt geïmpliceerd, heeft diepe banden met recente waarnemingen van botsende neutronensterren, gemaakt door het Nobelprijswinnende Laser Gravitational-Wave Observatory, of Lego, Experiment – hij deed experimenten. LIGO is een grootschalig fysiek observatorium dat is ontworpen voor detectie Zwaartekrachtgolven.
“Wanneer neutronensterren om elkaar heen draaien, zenden ze zwaartekrachtgolven uit die door LIGO zijn gedetecteerd. Als ze in de laatste fractie van een seconde naderen, maakt de zwaartekracht van de ene neutronenster de andere neutronenster traanvormig – het wordt eigenlijk een rechthoek als een voetbal. Amerikaans Als de neutronenhuid groter is, betekent dit een voetbalspecifieke vorm, en als de neutronenhuid kleiner is, betekent dit een andere vorm voor voetbal. “De vorm van voetbal wordt gemeten door LIGO.” “Het LIGO-experiment en het PREx-experiment deed heel verschillende dingen, “zei Kumar. Maar ze houden verband met deze basisvergelijking – de toestand van de vergelijking van nucleaire materie.”
Referentie: “Nauwkeurige bepaling van de dikte van de neutronenhuid voor 208Lead by Valence Violation in Electron Scattering “Door D. Adhikari et al. (PREX Collaboration), 27 april 2021, hier beschikbaar. Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502
De experimentele samenwerking PREx-II omvat 13 PhD’s. Studenten en zeven postdoctorale onderzoeksdeelnemers, evenals meer dan 70 andere wetenschappers van bijna 30 instellingen.
Dit werk werd ondersteund door het Science Office van het Department of Energy, de National Science Foundation, de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) en het Italian Nucleare Institute (INFN).
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
