De meeste gewone materie wordt bij elkaar gehouden door een onzichtbare subatomaire lijm die bekend staat als de sterke kernkracht - een van de vier fundamentele krachten in de natuur, samen met de zwaartekracht, elektromagnetisme, en de zwakke kracht. De sterke kernkracht is verantwoordelijk voor het duwen en trekken tussen protonen en neutronen in de atoomkern, die ervoor zorgt dat een atoom niet op zichzelf instort.

In atoomkernen, de meeste protonen en neutronen zijn ver genoeg van elkaar verwijderd dat natuurkundigen hun interacties nauwkeurig kunnen voorspellen. Echter, deze voorspellingen worden uitgedaagd wanneer de subatomaire deeltjes zo dicht bij elkaar liggen dat ze praktisch op elkaar liggen.

Hoewel dergelijke interacties op ultrakorte afstand zeldzaam zijn in de meeste materie op aarde, ze definiëren de kernen van neutronensterren en andere extreem dichte astrofysische objecten. Sinds wetenschappers voor het eerst begonnen met het verkennen van kernfysica, ze hebben moeite gehad om uit te leggen hoe de sterke kernkracht zich op zulke ultrakorte afstanden afspeelt.

Nu hebben natuurkundigen aan het MIT en elders voor het eerst de sterke kernkracht gekarakteriseerd, en de interacties tussen protonen en neutronen, op extreem korte afstanden.

Ze voerden een uitgebreide data-analyse uit op eerdere experimenten met deeltjesversnellers, en ontdekte dat naarmate de afstand tussen protonen en neutronen korter wordt, een verrassende overgang vindt plaats in hun interacties. Waar op grote afstanden, de sterke kernkracht werkt voornamelijk om een ​​proton naar een neutron te trekken, op zeer korte afstanden, de kracht wordt in wezen willekeurig:interacties kunnen niet alleen plaatsvinden om een ​​proton naar een neutron te trekken, maar ook om af te weren of duw paren neutronen uit elkaar.

"Dit is de eerste zeer gedetailleerde blik op wat er gebeurt met de sterke kernkracht op zeer korte afstanden, " zegt Of Hen, assistent-professor natuurkundige aan het MIT. "Dit heeft grote gevolgen, in de eerste plaats voor neutronensterren en ook voor het begrip van nucleaire systemen als geheel."

Hen en zijn collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Zijn co-auteurs zijn onder meer eerste auteur Axel Schmidt Ph.D. '16, een voormalig afgestudeerde student en postdoc, samen met afgestudeerde student Jackson Pybus, student Adin Hrnjic en andere collega's van MIT, de Hebreeuwse Universiteit, Universiteit van Tel Aviv, Oude Dominion-universiteit, en leden van de CLAS-samenwerking, een multi-institutionele groep wetenschappers die betrokken zijn bij de CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), een deeltjesversneller bij Jefferson Laboratory in Newport News, Virginia.

Momentopname van sterdruppel

Interacties op ultrakorte afstand tussen protonen en neutronen zijn zeldzaam in de meeste atoomkernen. Om ze te detecteren, zijn atomen nodig met een enorm aantal extreem hoge energie-elektronen, waarvan een fractie een kans zou kunnen hebben om een ​​paar nucleonen (protonen of neutronen) die met een hoog momentum bewegen eruit te schoppen - een indicatie dat de deeltjes op extreem korte afstanden moeten interageren.

"Om deze experimenten te doen, je hebt waanzinnig hoge stroom deeltjesversnellers nodig, " Zegt Hen. "Het is pas sinds kort waar we de detectorcapaciteit hebben, en de processen goed genoeg begrijpen om dit soort werk te doen."

Hen en zijn collega's zochten naar de interacties door gegevens te ontginnen die eerder door CLAS waren verzameld, een deeltjesdetector ter grootte van een huis in het Jefferson Laboratory; de JLab-versneller produceert een ongekend hoge intensiteit en energierijke elektronenbundels. De CLAS-detector was operationeel van 1988 tot 2012, en de resultaten van die experimenten zijn sindsdien beschikbaar voor onderzoekers om door te kijken naar andere fenomenen die in de gegevens zijn begraven.

In hun nieuwe studie de onderzoekers analyseerden een schat aan gegevens, wat neerkomt op enkele quadriljoen elektronen die atoomkernen in de CLAS-detector raken. De elektronenstraal was gericht op folies gemaakt van koolstof, leiding, aluminium, en ijzer, elk met atomen met verschillende verhoudingen van protonen tot neutronen. Wanneer een elektron botst met een proton of neutron in een atoom, de energie waarmee het verstrooit is evenredig met de energie en het momentum van het overeenkomstige nucleon.

"Als ik weet hoe hard ik tegen iets heb geschopt en hoe snel het eruit kwam, Ik kan het aanvankelijke momentum reconstrueren van het ding dat werd geschopt, ’ legt Hen uit.

Met deze algemene benadering het team keek door de quadriljoen-elektronenbotsingen en slaagde erin om het momentum van enkele honderden paren hoog-momentum-nucleonen te isoleren en te berekenen. Hen vergelijkt deze paren met "neutronensterdruppels, "als hun momentum, en hun afgeleide afstand tussen elkaar, is vergelijkbaar met de extreem dichte omstandigheden in de kern van een neutronenster.

Ze behandelden elk geïsoleerd paar als een "snapshot" en organiseerden de honderden snapshots volgens een momentumverdeling. Aan de onderkant van deze verdeling, ze observeerden een onderdrukking van proton-protonparen, wat aangeeft dat de sterke kernkracht voornamelijk werkt om protonen naar neutronen te trekken met een gemiddeld hoog momentum, en korte afstanden.

Verderop in de distributie, ze zagen een overgang:er bleek meer proton-proton te zijn en, door symmetrie, neutronen-neutronenparen, voorstellen dat, bij hogere vaart, of steeds kortere afstanden, de sterke kernkracht werkt niet alleen op protonen en neutronen, maar ook op protonen en protonen en neutronen en neutronen. Deze koppelkracht wordt als afstotelijk van aard beschouwd, wat betekent dat op korte afstanden, neutronen interageren door elkaar sterk af te stoten.

"Dit idee van een weerzinwekkende kern in de sterke kernkracht is iets dat wordt rondgegooid als dit mythische ding dat bestaat, maar we weten niet hoe we daar moeten komen, zoals dit portaal uit een ander rijk, " zegt Schmidt. "En nu hebben we gegevens waar deze overgang ons in het gezicht staart, en dat was echt verrassend."

De onderzoekers denken dat deze overgang in de sterke kernkracht kan helpen om de structuur van een neutronenster beter te definiëren. Hen vond eerder bewijs dat in de buitenste kern van neutronensterren, neutronen koppelen meestal met protonen door de sterke aantrekkingskracht. Met hun nieuwe studie de onderzoekers hebben bewijs gevonden dat wanneer deeltjes in veel dichtere configuraties zijn verpakt en gescheiden door kortere afstanden, de sterke kernkracht creëert een afstotende kracht tussen neutronen die, in de kern van een neutronenster, helpt voorkomen dat de ster op zichzelf instort.

Minder dan een zak quarks

Het team deed nog twee ontdekkingen. Voor een, hun waarnemingen komen overeen met de voorspellingen van een verrassend eenvoudig model dat de vorming van korteafstandscorrelaties beschrijft vanwege de sterke kernkracht. Voor een ander, tegen de verwachtingen in, de kern van een neutronenster kan strikt worden beschreven door de interacties tussen protonen en neutronen, zonder expliciet rekening te hoeven houden met meer complexe interacties tussen de quarks en gluonen waaruit individuele nucleonen bestaan.

Toen de onderzoekers hun waarnemingen vergeleken met verschillende bestaande modellen van de sterke kernkracht, ze vonden een opmerkelijke match met voorspellingen van Argonne V18, een model ontwikkeld door een onderzoeksgroep van het Argonne National Laboratory, die 18 verschillende manieren beschouwde waarop nucleonen kunnen interageren, omdat ze worden gescheiden door kortere en kortere afstanden.

Dit betekent dat als wetenschappers eigenschappen van een neutronenster willen berekenen, Hen zegt dat ze dit specifieke Argonne V18-model kunnen gebruiken om de sterke kernkrachtinteracties tussen paren nucleonen in de kern nauwkeurig te schatten. De nieuwe gegevens kunnen ook worden gebruikt om alternatieve benaderingen voor het modelleren van de kernen van neutronensterren te benchmarken.

Wat de onderzoekers het meest opwindend vonden, was dat ditzelfde model, zoals het is geschreven, beschrijft de interactie van nucleonen op extreem korte afstanden, zonder expliciet rekening te houden met quarks en gluonen. Natuurkundigen hadden aangenomen dat in extreem dichte, chaotische omgevingen zoals neutronensterkernen, interacties tussen neutronen zouden plaats moeten maken voor de meer complexe krachten tussen quarks en gluonen. Omdat het model geen rekening houdt met deze complexere interacties, en omdat de voorspellingen op korte afstand overeenkomen met de waarnemingen van het team, Hen zegt dat het waarschijnlijk is dat de kern van een neutronenster op een minder gecompliceerde manier kan worden beschreven.

"Mensen gingen ervan uit dat het systeem zo compact is dat het moet worden beschouwd als een soep van quarks en gluonen, " legt Hen uit. "Maar we vinden zelfs bij de hoogste dichtheden, we kunnen deze interacties beschrijven met behulp van protonen en neutronen; ze lijken hun identiteit te behouden en veranderen niet in deze zak met quarks. Dus de kernen van neutronensterren kunnen veel eenvoudiger zijn dan mensen dachten. Dat is een grote verrassing."