Een nieuwe zeer nauwkeurige meting van de neutronenhuid in dubbel magisch calcium-48 kan helpen licht te werpen op proton-neutronen-interacties in kernen. Dit is de eerste zeer robuuste elektrozwakke meting van de neutronenhuid in een middelzware kern. De resultaten van deze nieuwe meting, gemaakt door de 48Ca Radius EXperiment (CREX) -samenwerking in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van DOE, zal worden gepresenteerd op de najaarsvergadering van 2021 van de APS-divisie voor kernfysica.

"We bestuderen een bepaalde neutronenrijke kern, calcium-48 genaamd. Het is een speciale isotoop van calcium met een overmaat aan neutronen. De kern is gemaakt van protonen en neutronen, en calcium-48 heeft meer neutronen dan protonen. We proberen te begrijpen hoe ze zijn verdeeld in deze dichte kern, " zegt Caryn Palatchi, een onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Virginia die de resultaten zal presenteren.

In de meest massieve stabiele kern gemeten, lood-208, onlangs werd bevestigd dat relatief gelijke aantallen protonen en neutronen samenkomen in de richting van de kern, terwijl extra neutronen naar de rand worden geduwd. Nutsvoorzieningen, kernfysici testen of dit geldt voor de nog steeds dichtbevolkte maar veel minder massieve en stabiele calcium-48-kern.

"Deze specifieke isotoop heeft een overmaat aan neutronen en een hoge dichtheid. Men denkt dat de neutronen zich kunnen verspreiden en verder uitstrekken dan de protonen om deze huid te creëren, een neutronenhuid, rond de calciumkern. We proberen deze huid te meten en hoe dik hij is, ' zegt Palachi.

De dikte van de neutronenhuid van lood-208 bleek dikker dan ooit gedacht, met implicaties niet alleen voor de structuur van kernen, maar ook voor neutronensterren. Deze nieuwe meting van de neutronenhuid in calcium-48 zal ook nieuwe implicaties hebben voor het begrip van kernfysici van de structuur van kernen.

"De kleinere calciumkern heeft minder protonen en neutronen, en het is net binnen het bereik van bepaalde soorten berekeningen die voortkomen uit de eerste principes, of ab initio berekeningen. Tussen de twee verschillende metingen, we kunnen ze vergelijken met modellen die: ab initio berekeningen van nucleon-nucleon interacties en modellen voor een uniforme dichte kern, " legt Palatchi uit. "Dus, tussen de twee experimenten, je kunt praten over dit landschap dat zeer dichte materie beschrijft."

Het experiment werd uitgevoerd in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit van DOE. De gegevens zijn genomen van december 2019 tot maart 2020 en van juli tot september 2020. In het experiment, een bundel van energetische elektronen werd gericht in een zilverkleurige schijf van puur calcium-48 die de vorm had van een hockeypuck - ongeveer zo groot als een halve dollar en een halve inch dik.

De energetische elektronen interageren met protonen en neutronen in de calciumkernen via de elektrozwakke kracht. Terwijl interacties via het elektromagnetische deel van de elektrozwakke kracht pariteitsbehoudend zijn, interacties via het zwakke krachtgedeelte zijn pariteitsschendend.

"Pariteit is een spiegelsymmetrie. Het verwijst naar als je de interactie van rechts naar links en van boven naar beneden zou veranderen, hetzelfde resultaat zou optreden, Palatchi legt uit. "Pariteitsschending betekent dat er een interactie is die als je er een spiegelbeeld van doet, het blijkt niet hetzelfde; het spiegelbeeld is niet identiek."

Deze eigenschap van pariteitsschending stelt de kernfysici in staat om de interacties van de elektronen met neutronen in de calcium-48-kern aan te scherpen.

"Pariteitsschending is een handtekening van de zwakke kracht, en neutronen hebben een zwakke lading. Dus, we zijn echt de neutronen aan het onderzoeken. We gebruiken de zwakke kracht om ze te onderzoeken, ' zegt Palachi.

Het uiteindelijke resultaat geeft informatie over de vormfactor van calcium-48, zijn neutronenhuid en de neutronenstraal. De vergelijkbare experimentele omstandigheden maken ook vergelijkingen tussen calcium-48- en lood-208-kernen mogelijk.

"We verwachten met deze meting een maatstaf te zetten. De neutronenhuid in lood kwam er dik uit ten opzichte van onze verwachtingen, dus we verwachten hetzelfde met calcium, " zegt Robert Michaels, een stafwetenschapper bij Jefferson Lab die ook de resultaten zal presenteren met verdere discussie. "Hoe dan ook, we verwachten dat dit resultaat ons iets nieuws zal vertellen over de structuur van dichte kernen."

De eerste openbare presentatie van het resultaat van het 48Ca Radius EXperiment (CREX) zal worden gemaakt door Caryn Palatchi, een onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Virginia. Ze zal de eerste resultaten van CREX presenteren tijdens de najaarsvergadering van 2021 van de APS Division of Nuclear Physics. Robert Michaëls, een stafwetenschapper bij Jefferson Lab, zal ook de resultaten presenteren met verdere discussie. De bijeenkomst wordt gehouden vrijwel 11-14 oktober.