Wetenschap
Het samenvoegen van kernfysica-experimenten en astronomische waarnemingen om onderzoek naar toestandsvergelijking te bevorderen
Een onderzoeksteam onder leiding van William Lynch en Betty Tsang van de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) richt zich op het leren over neutronen in dichte omgevingen. Lynch, Tsang en hun medewerkers gebruikten twintig jaar aan experimentele gegevens van versnellerfaciliteiten en neutronensterobservaties om te begrijpen hoe deeltjes op elkaar inwerken in nucleaire materie onder een breed scala aan dichtheden en drukken. Het team wilde bepalen hoe de verhouding tussen neutronen en protonen de nucleaire krachten in een systeem beïnvloedt. Het team publiceerde onlangs zijn bevindingen in Nature Astronomy .
‘In de kernfysica beperken we ons vaak tot het bestuderen van kleine systemen, maar we weten precies welke deeltjes in onze nucleaire systemen zitten. Sterren bieden ons een ongelooflijke kans, omdat het grote systemen zijn waarin kernfysica een cruciale rol speelt, maar wij niet. weten zeker welke deeltjes zich in hun binnenste bevinden', zegt Lynch, hoogleraar kernfysica aan de FRIB en aan het Department of Physics and Astronomy van de Michigan State University (MSU).
"Ze zijn interessant omdat de dichtheid binnen zulke grote systemen enorm varieert. Kernkrachten spelen daarin een dominante rol, maar toch weten we relatief weinig over die rol."
Wanneer een ster met een massa die twintig tot dertig keer zo groot is als die van de zon, zijn brandstof opgebruikt, koelt hij af, stort in en explodeert in een supernova. Na deze explosie vloeit alleen de materie in het diepste deel van het binnenste van de ster samen en vormt een neutronenster. Deze neutronenster heeft geen brandstof om te verbranden en na verloop van tijd straalt hij de resterende warmte uit naar de omringende ruimte.
Wetenschappers verwachten dat de materie in de buitenste kern van een koude neutronenster grofweg vergelijkbaar is met de materie in atoomkernen, maar met drie verschillen:neutronensterren zijn veel groter, ze zijn dichter van binnen, en een groter deel van hun nucleonen bestaat uit neutronen. Diep in de kern van een neutronenster blijft de samenstelling van de materie van neutronensterren een mysterie.
‘Als experimenten meer inzicht zouden kunnen geven in de krachten die in hun binnenste inwerken, zouden we betere voorspellingen kunnen doen over de samenstelling van hun binnenste en de faseovergangen daarin. Neutronensterren bieden een geweldige onderzoeksmogelijkheid om deze disciplines te combineren,’ aldus Lynch. P>
Versnellerfaciliteiten zoals FRIB helpen natuurkundigen te bestuderen hoe subatomaire deeltjes op elkaar inwerken onder exotische omstandigheden die vaker voorkomen in neutronensterren. Wanneer onderzoekers deze experimenten vergelijken met waarnemingen van neutronensterren, kunnen ze de toestandsvergelijking (EOS) berekenen van deeltjes die interageren in dichte omgevingen met lage temperaturen.
De EOS beschrijft materie in specifieke omstandigheden, en hoe de eigenschappen ervan veranderen met de dichtheid. Het oplossen van EOS voor een breed scala aan omgevingen helpt onderzoekers de effecten van de sterke kernkracht in dichte objecten, zoals neutronensterren, in de kosmos te begrijpen. Het helpt ons ook meer te leren over neutronensterren terwijl ze afkoelen.
"Dit is de eerste keer dat we zo'n schat aan experimentele gegevens hebben verzameld om de toestandsvergelijking onder deze omstandigheden te verklaren, en dit is belangrijk", zegt Tsang, hoogleraar nucleaire wetenschappen aan de FRIB. "Eerdere pogingen hebben theorie gebruikt om het lage-dichtheid en lage-energetische einde van nucleaire materie te verklaren. We wilden alle gegevens die we tot onze beschikking hadden uit onze eerdere ervaringen met versnellers gebruiken om een alomvattende toestandsvergelijking te verkrijgen." P>
Onderzoekers die op zoek zijn naar de EOS berekenen deze vaak bij hogere temperaturen of lagere dichtheden. Vervolgens trekken ze conclusies voor het systeem over een breder scala aan omstandigheden. Natuurkundigen zijn de afgelopen jaren echter tot het inzicht gekomen dat een EOS verkregen uit een experiment alleen relevant is voor een specifiek bereik van dichtheden.
Als gevolg hiervan moest het team gegevens verzamelen van verschillende versnellerexperimenten waarbij verschillende metingen van botsende kernen werden gebruikt om deze aannames te vervangen door gegevens. "Bij dit werk hebben we twee vragen gesteld", zei Lynch. "Welke dichtheid meet die meting voor een bepaalde meting? Daarna vroegen we wat die meting ons vertelt over de toestandsvergelijking bij die dichtheid."
In zijn recente artikel combineerde het team zijn eigen experimenten met versnellerfaciliteiten in de Verenigde Staten en Japan. Het verzamelde gegevens van twaalf verschillende experimentele beperkingen en drie waarnemingen van neutronensterren. De onderzoekers concentreerden zich op het bepalen van de EOS voor nucleaire materie, variërend van de helft tot drie keer de verzadigingsdichtheid van een kern - de dichtheid die wordt aangetroffen in de kern van alle stabiele kernen. Door deze uitgebreide EOS te produceren, heeft het team nieuwe benchmarks geleverd voor de grotere kernfysica- en astrofysica-gemeenschappen om de interacties van nucleaire materie nauwkeuriger te modelleren.
Het team verbeterde zijn metingen bij tussenliggende dichtheden die waarnemingen van neutronensterren niet opleveren door middel van experimenten in het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Duitsland, het RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Japan en het National Superconducting Cyclotron Laboratory (de voorganger van de FRIB). ). Om de belangrijkste metingen mogelijk te maken die in dit artikel worden besproken, hielpen hun experimenten bij het financieren van technische vooruitgang op het gebied van gegevensverzameling voor actieve doelen en tijdprojectiekamers die in veel andere experimenten over de hele wereld worden gebruikt.