Физики определили толщину нейтронной оболочки
Протоны и нейтроны, которые образуют ядро в сердце каждого атома во Вселенной, помогают определить идентичность и свойства каждого атома
Физики-ядерщики провели новое, высокоточное измерение толщины нейтронной «кожи», которая охватывает свинцовое ядро, в экспериментах, проведенных в Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона и только что опубликованных в Physical Review Letters. Результат, который показал толщину нейтронной оболочки в 0,28 миллионных долей нанометра, имеет важное значение для структуры и размера нейтронных звезд.
Протоны и нейтроны, которые образуют ядро в сердце каждого атома во Вселенной, помогают определить идентичность и свойства каждого атома. Физики-ядерщики изучают различные ядра, чтобы узнать больше о том, как протоны и нейтроны действуют внутри ядра. Совместная работа по эксперименту с радиусом свинца, получившая название PREx (по химическому обозначению свинца, Pb), изучает тонкие детали распределения протонов и нейтронов в ядрах свинца.
«Вопрос в том, где находятся нейтроны в свинце. Свинец — тяжелое ядро, в нем есть дополнительные нейтроны, но что касается ядерной силы, то равное сочетание протонов и нейтронов работает лучше», — говорит Кент Пашке, профессор Университета Вирджинии и соавтор эксперимента.
Легкие ядра, в которых всего несколько протонов, обычно имеют одинаковое количество протонов и нейтронов внутри. По мере того как ядра становятся тяжелее, им требуется больше нейтронов, чем протонов, чтобы оставаться стабильными.
Все стабильные ядра, имеющие более 20 протонов, имеют больше нейтронов, чем протонов. Например, свинец содержит 82 протона и 126 нейтронов. Измерение того, как эти дополнительные нейтроны распределяются внутри ядра, является ключевым вкладом в понимание того, как тяжелые ядра собираются вместе.
«Протоны в ядре свинца находятся в сфере, и мы обнаружили, что нейтроны находятся в большей сфере вокруг них, и мы называем это нейтронной оболочкой», — говорят ученые.
Результат эксперимента PREx, опубликованный в Physical Review Letters в 2012 году, обеспечил первое экспериментальное наблюдение этой нейтронной оболочки с использованием методов рассеяния электронов. Вслед за этим результатом сотрудничество приступило к более точному измерению его толщины в PREx-II. Измерение было проведено летом 2019 года с использованием Установки ускорителя непрерывного электронного пучка. Этот эксперимент, как и первый, измерял средний размер ядра свинца в пересчете на его нейтроны.
Нейтроны трудно измерить, потому что многие чувствительные зонды, которые физики используют для измерения субатомных частиц, полагаются на измерение электрического заряда частиц посредством электромагнитного взаимодействия, одного из четырех взаимодействий в природе. PREx использует другую фундаментальную силу — слабую ядерную силу, для изучения распределения нейтронов.
«Протоны имеют электрический заряд и могут быть нанесены на карту с помощью электромагнитной силы. Нейтроны не имеют электрического заряда, но по сравнению с протонами они имеют большой слабый заряд, и поэтому, если вы используете слабое взаимодействие, вы можете выяснить, где находятся нейтроны», — объяснил Кент Пашке.
В ходе эксперимента точно контролируемый пучок электронов был направлен на тонкий лист криогенно охлажденного свинца. Эти электроны вращались в направлении своего движения.
Электроны в пучке взаимодействовали с протонами или нейтронами свинцовой мишени либо через электромагнитное, либо через слабое взаимодействие. В то время как электромагнитное взаимодействие зеркально симметрично, слабое взаимодействие — нет. Это означает, что электроны, взаимодействующие с помощью электромагнетизма, делали это независимо от направления спина электронов, в то время как электроны, взаимодействующие с помощью слабого взаимодействия, предпочтительно делали это чаще, когда спин был в одном направлении по сравнению с другим.
«Используя эту асимметрию в рассеянии, мы можем определить силу взаимодействия, и это говорит нам о размере объема, занимаемого нейтронами. Он говорит нам, где нейтроны сравниваются с протонами.» сказал Кришна Кумар, соавтор эксперимента и профессор Массачусетского университета.
Для успешного проведения измерений требовалась высокая степень точности. На протяжении всего эксперимента спин электронного пучка переключался из одного направления в противоположное 240 раз в секунду, а затем электроны пролетали почти полтора километра через ускоритель CEBAF, прежде чем были точно помещены на мишень.
«В среднем за весь пробег мы знали, где находятся правый и левый лучи относительно друг друга в пределах ширины 10 атомов», — говорят физики.
Электроны, которые рассеялись от ядер свинца, оставив их нетронутыми, были собраны и проанализированы. Затем сотрудничество PREx-II объединило его с предыдущим результатом 2012 года и точными измерениями радиуса протона ядра свинца, который часто называют радиусом его заряда.
«Радиус заряда составляет около 5,5 фемтометров. И распределение нейтронов немного больше этого — около 5,8 фемтометров, так что нейтронная оболочка составляет 0,28 фемтометра, или около того. 28 миллионных нанометра».
Исследователи заявили, что эта цифра больше, чем предполагали некоторые теории, что имеет значение для физических процессов в нейтронных звездах и их размера.
«Это самое прямое наблюдение нейтронной оболочки. Мы находим то, что мы называем жестким уравнением состояния — более высокое, чем ожидалось, давление, так что трудно втиснуть эти нейтроны в ядро. Итак, мы обнаружили, что плотность внутри ядра немного ниже, чем ожидалось».
«Нам нужно знать содержание нейтронной звезды и уравнение состояния, и тогда мы сможем предсказать свойства этих нейтронных звезд», — говорят исследователи. «Итак, то, что мы получаем после этого измерения ядра свинца, позволяет лучше экстраполировать на свойства нейтронных звезд.»
Неожиданно жесткое уравнение состояния, подразумеваемое результатом PREx-II, имеет глубокие связи с недавними наблюдениями сталкивающихся нейтронных звезд, сделанными в эксперименте с Гравитационно-волновой обсерваторией лазерного интерферометра, получившей Нобелевскую премию, или LIGO.
LIGO — это крупномасштабная физическая обсерватория, предназначенная для обнаружения гравитационных волн.
«Когда нейтронные звезды начинают вращаться по спирали друг вокруг друга, они испускают гравитационные волны, которые обнаруживаются LIGO. И когда они приближаются в последнюю долю секунды, гравитационное притяжение одной нейтронной звезды превращает другую нейтронную звезду в каплю — она на самом деле становится продолговатой, как мяч в американском футболе.
-Если нейтронная оболочка больше, то это означает определенную форму для мяча, а если нейтронная оболочка меньше, это означает другую форму. А форма футбольного мяча измеряется LIGO», — сказал Кришна Кумар. «Эксперимент LIGO и эксперимент PREx делали очень разные вещи, но они связаны этим фундаментальным уравнением — уравнением состояния ядерной материи.»
Lead Nucleus May Bury Positive Side Under Neutral Facade: www.jlab.org/news/ontarget/tar … et-july-2011#tickler
PREx-II Experiment Proposal: hallaweb.jlab.org/parity/prex/prexII.pdf