Stel je voor dat je al het water in Lake Michigan neemt - meer dan een quadrillion gallons - en het in een emmer van 4 gallon knijpt, het soort dat je zou vinden in een ijzerhandel.

Een snelle bespreking van de cijfers suggereert dat dit onmogelijk zou moeten zijn:dat is te veel spullen en te weinig ruimte. Maar deze bizarre dichtheid is een bepalend kenmerk van hemellichamen die bekend staan ​​als neutronensterren. Deze sterren zijn slechts ongeveer 15 mijl in doorsnee, toch bevatten ze meer massa dan onze zon dankzij een extreme fysica.

Onder leiding van onderzoekers van de Michigan State University, een internationale samenwerking heeft nu de kosmische omstandigheden van een neutronenster op aarde nagebootst om die extreme wetenschap beter te kunnen onderzoeken. Het team deelde de resultaten in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Voor het experiment, het team selecteerde tin om een ​​dichte nucleaire soep te creëren die rijk is aan neutronen, waardoor het de omgeving van neutronensterren beter nabootst. Het team versnelde een straal gemaakt van tinkernen tot bijna tweederde van de lichtsnelheid in het Japanse RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science. Het onderzoek werd gefinancierd door het Office of Nuclear Physics van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, of DOE-SC, en het ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en technologie — Japan, of MEXT, Japan.

De onderzoekers stuurden die straal door een dun tinnen doel, of folie, om tinkernen samen te breken. De kernen vallen uiteen en voor slechts een moment - een miljardste van een biljoenste van een seconde - bestaat het wrak als een superdicht gebied van nucleaire bouwstenen, protonen en neutronen genaamd. Hoewel deze omgeving vluchtig is, het leeft lang genoeg om zeldzame deeltjes te creëren die pionen worden genoemd (die wordt uitgesproken als "pie-ons" - de "pi" komt van de Griekse letter π).

Door deze pionen te creëren en te detecteren, het team stelt wetenschappers in staat om slepende vragen over nucleaire wetenschap en neutronensterren beter te beantwoorden. Bijvoorbeeld, dit werk kan wetenschappers helpen de interne druk beter te karakteriseren die ervoor zorgt dat neutronensterren niet onder hun eigen zwaartekracht instorten en zwarte gaten worden.

"Het experiment dat we hebben uitgevoerd kan nergens anders worden gedaan, behalve de binnenkant van neutronensterren, " zei Betty Tsang, een professor in de nucleaire wetenschap en onderzoeker bij het National Superconducting Cyclotron Laboratory, of NSCL, bij MSU.

Helaas, wetenschappers kunnen zich niet in neutronensterren vestigen. Afgezien van verzengende temperaturen en verpletterende zwaartekrachten, de dichtstbijzijnde neutronenster is ongeveer 400 lichtjaar verwijderd.

Er is, echter, een andere plek in het universum waar wetenschappers materie kunnen observeren die tot zo'n ongelooflijke dichtheid is verpakt. Dat is in deeltjesversnellerlaboratoria, waar wetenschappers de kernen van atomen kunnen breken, of kernen, om grote hoeveelheden kernmateriaal in zeer kleine volumes te persen.

Natuurlijk, dit is ook geen cakewalk.

"Het experiment is erg moeilijk, "Zei Tsang. "Daarom is het team hier zo enthousiast over." Tsang en William Lynch, een professor in kernfysica in MSU's Department of Physics and Astronomy, leid het Spartaanse contingent onderzoekers van het internationale team.

Om hun gezamenlijke doelen in dit onderzoek te realiseren, de samenwerkende instituten speelden elk naar hun sterktes.

"Daarom verzamelen we medewerkers, "Zei Tsang. "We lossen problemen op door de groep uit te breiden en mensen uit te nodigen die echt weten wat ze doen."

MSU, dat de thuisbasis is van het best gerangschikte afstudeerprogramma voor kernfysica van de Verenigde Staten, nam het voortouw bij het bouwen van de piondetector. Het instrument, genaamd de SπRIT Time Projection Chamber, werd gebouwd met medewerkers van de Texas A&M University en RIKEN.

De deeltjesversneller van RIKEN bood de kracht en zeldzame neutronenrijke tinkernen die nodig zijn om een ​​omgeving te creëren die doet denken aan een neutronenster. Onderzoekers van de Technische Universiteit, Darmstadt, in Duitsland droegen de tinnen doelen bij die moesten voldoen aan strenge specificaties. studenten, personeel, en docenten van andere instellingen in Azië en Europa hielpen bij het opzetten van het experiment en het analyseren van gegevens.

Dit experiment bij de versneller van RIKEN hielp dat begrip naar nieuwe hoogten te tillen in termen van zowel energie als dichtheid, maar er zijn nog veel meer uitdagingen.

Wanneer de faciliteit voor zeldzame isotopenbundels, of VRIJ, operationeel is in 2022, het belooft ook een knooppunt te worden van internationale samenwerking op het gebied van nucleaire wetenschap. En de faciliteit zal uniek zijn uitgerust om te blijven onderzoeken hoe nucleaire systemen zich gedragen bij extreme energieën en dichtheden.

"Als FRIB online komt, het geeft ons meer keuze aan balken en laat ons veel preciezere metingen doen, "Zei Tsang. "En dat zal ons in staat stellen het interieur van de neutronensterren beter te begrijpen en dingen te ontdekken die nog intrigerender zijn, verrassender."