Kernfysici hebben een nieuwe, zeer nauwkeurige meting van de dikte van de neutronen-"huid" die de loodkern omvat in experimenten die zijn uitgevoerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse Department of Energy en zojuist gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Het resultaat, die een neutronenhuiddikte van 0,28 miljoenste nanometer onthulde, heeft belangrijke implicaties voor de structuur en grootte van neutronensterren.

De protonen en neutronen die de kern vormen in het hart van elk atoom in het universum, helpen bij het bepalen van de identiteit en eigenschappen van elk atoom. 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, genaamd PREx (naar het chemische symbool voor lood, pb), bestudeert de fijne details van de verdeling van protonen en neutronen in loden kernen.

"De vraag is waar de neutronen zich in lood bevinden. Lood is een zware kern - er zijn extra neutronen, maar wat de kernkracht betreft, een gelijke mix van protonen en neutronen werkt beter, " zei Kent Paschke, een professor aan de Universiteit van Virginia en co-woordvoerder van het experiment.

Paschke legde uit dat lichte kernen, die met slechts een paar protonen, hebben meestal een gelijk aantal protonen en neutronen binnenin. Naarmate kernen zwaarder worden, ze hebben meer neutronen nodig dan protonen om stabiel te blijven. Alle stabiele kernen met meer dan 20 protonen hebben meer neutronen dan protonen. Bijvoorbeeld, lood heeft 82 protonen en 126 neutronen. Het meten van hoe deze extra neutronen in de kern zijn verdeeld, is de belangrijkste input om te begrijpen hoe zware kernen in elkaar zitten.

"De protonen in een loden kern bevinden zich in een bol, en we hebben ontdekt dat de neutronen zich in een grotere bol om hen heen bevinden, en we noemen dat de neutronenhuid, ' zei Paschke.

Het resultaat van het PREx-experiment, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven in 2012, leverde de eerste experimentele waarneming van deze neutronenhuid met behulp van elektronenverstrooiingstechnieken. Naar aanleiding van dat resultaat, de samenwerking was bedoeld om de dikte in PREx-II nauwkeuriger te meten. De meting is in de zomer van 2019 uitgevoerd met behulp van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Dit experiment, zoals de eerste, de gemiddelde grootte van de loodkern gemeten in termen van zijn neutronen.

Neutronen zijn moeilijk te meten, omdat veel van de gevoelige sondes die natuurkundigen gebruiken om subatomaire deeltjes te meten, afhankelijk zijn van het meten van de elektrische lading van de deeltjes door de elektromagnetische interactie, een van de vier interacties in de natuur. PREx maakt gebruik van een andere fundamentele kracht, de zwakke kernkracht, om de verspreiding van neutronen te bestuderen.

"Protonen hebben een elektrische lading en kunnen in kaart worden gebracht met behulp van de elektromagnetische kracht. Neutronen hebben geen elektrische lading, maar vergeleken met protonen hebben ze een grote zwakke lading, en dus als je de zwakke interactie gebruikt, je kunt uitzoeken waar de neutronen zijn", legt Paschke uit.

In het experiment, een nauwkeurig gecontroleerde bundel elektronen werd in een dunne laag cryogeen gekoeld lood gestuurd. Deze elektronen draaiden in hun bewegingsrichting, als een spiraal op een voetbalpas.

Elektronen in de bundel interageerden met de protonen of neutronen van het hoofddoel, hetzij via de elektromagnetische of de zwakke interactie. Hoewel de elektromagnetische interactie spiegelsymmetrisch is, de zwakke interactie is dat niet. Dat betekent dat de elektronen die via elektromagnetisme interageerden, dit deden ongeacht de spinrichting van de elektronen, terwijl de elektronen die interageerden via de zwakke interactie dit bij voorkeur vaker deden wanneer de spin in de ene richting was versus de andere.

"Door deze asymmetrie in de verstrooiing te gebruiken, we kunnen de kracht van de interactie identificeren, en dat vertelt ons de grootte van het volume ingenomen door neutronen. Het vertelt ons waar de neutronen worden vergeleken met de protonen." zei Krishna Kumar, een experiment mede-woordvoerder en professor aan de Universiteit van Massachusetts Amherst.

De meting vereiste een hoge mate van precisie om succesvol uit te voeren. Gedurende de proefperiode, de spin van de elektronenbundel werd 240 keer per seconde van de ene richting naar de andere kant gedraaid, en toen reisden de elektronen bijna een mijl door de CEBAF-versneller voordat ze precies op het doelwit werden geplaatst.

"Gemiddeld over de hele run, we wisten waar de rechter- en linkerbalk waren, ten opzichte van elkaar, binnen een breedte van 10 atomen, ' zei Kumar.

De elektronen die van loodkernen waren verstrooid terwijl ze intact waren, werden verzameld en geanalyseerd. Vervolgens, de PREx-II-samenwerking combineerde het met het vorige resultaat van 2012 en precisiemetingen van de protonstraal van de loden kern, wat vaak de ladingsstraal wordt genoemd.

"De ladingsstraal is ongeveer 5,5 femtometers. En de neutronenverdeling is iets groter dan dat - ongeveer 5,8 femtometers, dus de neutronenhuid is 0,28 femtometers, of ongeveer 0,28 miljoenste van een nanometer, ' zei Paschke.

De onderzoekers zeiden dat dit cijfer dikker is dan sommige theorieën hadden gesuggereerd, wat gevolgen heeft voor de fysieke processen in neutronensterren en hun grootte.

"Dit is de meest directe waarneming van de neutronenhuid. We vinden wat we een stijve toestandsvergelijking noemen - hoger dan verwachte druk, zodat het moeilijk is om deze neutronen in de kern te persen. En dus, we ontdekken dat de dichtheid in de kern iets lager is dan verwacht, ' zei Paschke.

"We moeten de inhoud van de neutronenster en de toestandsvergelijking weten, en dan kunnen we de eigenschappen van deze neutronensterren voorspellen, " zei Kumar. "Dus, wat we met deze meting van de loodkern aan het veld bijdragen, kun je beter extrapoleren naar de eigenschappen van neutronensterren."

De onverwacht stijve toestandsvergelijking die door het PREx-resultaat wordt geïmpliceerd, heeft diepe verbindingen met recente waarnemingen van botsende neutronensterren gemaakt door de Nobelprijswinnende Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO, experiment. LIGO is een grootschalig natuurkundig observatorium dat is ontworpen om zwaartekrachtsgolven te detecteren.

"Terwijl neutronensterren om elkaar heen beginnen te draaien, ze zenden zwaartekrachtsgolven uit die worden gedetecteerd door LIGO. En als ze in de laatste fractie van een seconde dichtbij komen, de aantrekkingskracht van de ene neutronenster maakt van de andere neutronenster een traan - hij wordt eigenlijk langwerpig als een American football. Als de neutronenhuid groter is, dan betekent het een bepaalde vorm voor de voetbal, en als de neutronenhuid kleiner was, het betekent een andere vorm voor het voetbal. En de vorm van de voetbal wordt gemeten door LIGO, " zei Kumar. "Het LIGO-experiment en het PREx-experiment deden heel verschillende dingen, maar ze zijn verbonden door deze fundamentele vergelijking - de toestandsvergelijking van nucleaire materie."