Föreställ dig att du tar allt vatten i Lake Michigan – mer än en quadrillion gallons – och klämmer in det i en 4-liters hink, den typ som du hittar i en järnaffär.

En snabb genomgång av siffrorna tyder på att detta borde vara omöjligt:​​det är för mycket grejer och inte tillräckligt med utrymme. Men denna besynnerliga täthet är en avgörande egenskap hos himlaobjekt som kallas neutronstjärnor. Dessa stjärnor är bara cirka 15 miles över, ändå håller de mer massa än vår sol tack vare viss extrem fysik.

Leds av forskare från Michigan State University, ett internationellt samarbete har nu efterliknat en neutronstjärnas kosmiska förhållanden på jorden för att bättre undersöka den extrema vetenskapen. Teamet delade sina resultat i journalen Fysiska granskningsbrev .

För experimentet, teamet valde tenn för att skapa en tät kärnsoppa som är rik på neutroner, hjälper den att närmare efterlikna neutronstjärnornas miljö. Teamet accelererade en stråle gjord av tennkärnor till nästan två tredjedelar av ljusets hastighet vid Japans RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science. Forskningen finansierades av Office of Nuclear Physics vid U.S. Department of Energy Office of Science, eller DOE-SC, och utbildningsministeriet, Kultur, Sporter, Vetenskap och teknik – Japan, eller MEXT, Japan.

Forskarna skickade strålen genom ett tunt plåtmål, eller folie, att slå ihop tennkärnor. Kärnorna splittras och för bara ett ögonblick – en miljarddels biljondels sekund – existerar vraket som en supertät region av kärnkraftsbyggstenar som kallas protoner och neutroner. Även om denna miljö är flyktig, den lever tillräckligt länge för att skapa sällsynta partiklar som kallas pioner (som uttalas "pie-ons" - "pi" kommer från den grekiska bokstaven π).

Genom att skapa och upptäcka dessa pioner, teamet gör det möjligt för forskare att bättre svara på kvardröjande frågor om kärnvetenskap och neutronstjärnor. Till exempel, detta arbete kan hjälpa forskare att bättre karakterisera det inre trycket som hindrar neutronstjärnor från att kollapsa under sin egen gravitation och bli svarta hål.

"Experimentet som vi har utfört kan inte göras någon annanstans, förutom insidan av neutronstjärnor, sa Betty Tsang, en professor i kärnvetenskap och forskare vid National Superconducting Cyclotron Laboratory, eller NSCL, på MSU.

Tyvärr, forskare kan inte sätta sig in i neutronstjärnor. Bortsett från blåsiga temperaturer och krossande gravitationskrafter, den närmaste neutronstjärnan är cirka 400 ljusår bort.

Det finns, dock, en annan plats i universum där forskare kan observera materia packad till en sådan otrolig täthet. Det är i partikelacceleratorlaboratorier, där forskare kan slå samman kärnorna av atomer, eller kärnor, att pressa ihop stora mängder kärnämne i mycket små volymer.

Självklart, det här är ingen cakewalk heller.

"Experimentet är mycket svårt, " sa Tsang. "Det är därför laget är så exalterade över det här." Tsang och William Lynch, en professor i kärnfysik vid MSU:s institution för fysik och astronomi, leda den spartanska kontingenten av forskare i det internationella laget.

För att förverkliga sina gemensamma mål i denna studie, de samverkande instituten spelade vart och ett till sina styrkor.

"Det är därför vi samlar på oss medarbetare, ", sa Tsang. "Vi löser problem genom att utöka gruppen och bjuda in människor som verkligen vet vad de gör."

MSU, som är hem för USA:s högst rankade kärnfysikprogram, tog ledningen för att bygga piondetektorn. Instrumentet, kallad SπRIT Time Projection Chamber, byggdes med medarbetare från Texas A&M University och RIKEN.

RIKENs partikelaccelerator erbjöd kraften och sällsynta neutronrika tennkärnor som krävs för att skapa en miljö som påminner om en neutronstjärna. Forskare från Tekniska Högskolan, Darmstadt, i Tyskland bidrog med tennmålen som måste uppfylla krävande specifikationer. studenter, personal, och fakulteter från andra institutioner i Asien och Europa hjälpte till att bygga experimentet och analysera data.

Detta experiment vid RIKENs accelerator hjälpte till att driva den förståelsen till nya höjder när det gäller både energi och densitet, men det finns många fler utmaningar.

När anläggningen för sällsynta isotoper strålar, eller FRIB, är i drift 2022, det lovar också att bli ett nav för internationellt samarbete inom kärnkraftsvetenskap. Och anläggningen kommer att vara unikt utrustad för att fortsätta utforska hur kärnkraftssystem beter sig vid extrema energier och tätheter.

"När FRIB kommer online, det kommer att ge oss fler val av strålar och låta oss göra mycket mer exakta mätningar, ", sa Tsang. "Och det kommer att låta oss förstå neutronstjärnornas inre bättre och upptäcka saker som är ännu mer spännande, mer överraskande."