Kärnfysiker har gjort en ny, mycket noggrann mätning av tjockleken på neutron-"huden" som omfattar blykärnan i experiment utförda vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility och just publicerat i Fysiska granskningsbrev . Resultatet, som avslöjade en neutronhudtjocklek på .28 miljoner av en nanometer, har viktiga konsekvenser för neutronstjärnornas struktur och storlek.

Protonerna och neutronerna som bildar kärnan i hjärtat av varje atom i universum hjälper till att bestämma varje atoms identitet och egenskaper. Kärnfysiker studerar olika kärnor för att lära sig mer om hur dessa protoner och neutroner fungerar inuti kärnan. Lead Radius Experiment-samarbetet, kallas PREx (efter den kemiska symbolen för bly, Pb), studerar de fina detaljerna om hur protoner och neutroner är fördelade i blykärnor.

"Frågan handlar om var neutronerna finns i bly. Bly är en tung kärna - det finns extra neutroner, men vad gäller kärnkraften, en lika blandning av protoner och neutroner fungerar bättre, sa Kent Paschke, en professor vid University of Virginia och experimentets medtalesman.

Paschke förklarade att lätta kärnor, de med bara några få protoner, har vanligtvis lika många protoner och neutroner inuti. När kärnorna blir tyngre, de behöver fler neutroner än protoner för att förbli stabila. Alla stabila kärnor som har mer än 20 protoner har fler neutroner än protoner. Till exempel, bly har 82 protoner och 126 neutroner. Att mäta hur dessa extra neutroner är fördelade inuti kärnan är nyckelinput för att förstå hur tunga kärnor sätts ihop.

"Protonerna i en blykärna är i en sfär, och vi har funnit att neutronerna finns i en större sfär runt dem, och vi kallar det neutronhuden, sa Paschke.

Resultatet av PREx -experimentet, publiceras i Fysiska granskningsbrev under 2012, gav den första experimentella observationen av denna neutronhud med hjälp av elektronspridningstekniker. Efter det resultatet, samarbetet syftade till att göra en mer exakt mätning av dess tjocklek i PREx-II. Mätningen utfördes sommaren 2019 med hjälp av Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning. Detta experiment, som den första, mätte medelstorleken på blykärnan i termer av dess neutroner.

Neutroner är svåra att mäta, eftersom många av de känsliga sonderna som fysiker använder för att mäta subatomära partiklar är beroende av att mäta partiklarnas elektriska laddning genom den elektromagnetiska interaktionen, en av de fyra interaktionerna i naturen. PREx använder sig av en annan fundamental kraft, den svaga kärnkraften, för att studera fördelningen av neutroner.

"Protoner har en elektrisk laddning och kan kartläggas med hjälp av den elektromagnetiska kraften. Neutroner har ingen elektrisk laddning, men jämfört med protoner har de en stor svag laddning, och så om du använder den svaga interaktionen, du kan ta reda på var neutronerna finns." förklarade Paschke.

I experimentet, en exakt kontrollerad stråle av elektroner skickades krascha in i ett tunt ark av kryogeniskt kylt bly. Dessa elektroner snurrade i sin rörelseriktning, som en spiral på ett fotbollspass.

Elektroner i strålen samverkade med huvudmålets protoner eller neutroner antingen via den elektromagnetiska eller den svaga interaktionen. Medan den elektromagnetiska interaktionen är spegelsymmetrisk, den svaga interaktionen är det inte. Det betyder att elektronerna som interagerade via elektromagnetism gjorde det oavsett elektronernas spinnriktning, medan elektronerna som interagerade via den svaga interaktionen företrädesvis gjorde det oftare när snurran var i en riktning mot den andra.

"Att använda denna asymmetri i spridningen, vi kan identifiera styrkan i interaktionen, och det säger oss storleken på volymen som upptas av neutroner. Den talar om för oss var neutronerna jämförs med protonerna." sa Krishna Kumar, en medtalesman för experimentet och professor vid University of Massachusetts Amherst.

Mätningen krävde en hög grad av precision för att genomföras framgångsrikt. Under hela experimentet, elektronstrålens spinn vändes från en riktning till dess motsatta 240 gånger per sekund, och sedan färdades elektronerna nästan en mil genom CEBAF-acceleratorn innan de placerades exakt på målet.

"I genomsnitt under hela loppet, vi visste var de högra och vänstra strålarna var, i förhållande till varandra, inom en bredd av 10 atomer, sa Kumar.

Elektronerna som hade spridits bort blykärnor samtidigt som de lämnats intakta samlades in och analyserades. Sedan, PREx-II-samarbetet kombinerade det med det tidigare resultatet 2012 och precisionsmätningar av blykärnans protonradie, som ofta kallas dess laddningsradie.

"Laddningsradien är cirka 5,5 femtometer. Och neutronfördelningen är lite större än så — runt 5,8 femtometer, så neutronhuden är .28 femtometrar, eller ungefär 0,28 miljondelar av en nanometer, sa Paschke.

Forskarna sa att denna siffra är tjockare än vissa teorier hade föreslagit, vilket har konsekvenser för de fysikaliska processerna i neutronstjärnor och deras storlek.

"Detta är den mest direkta observationen av neutronhuden. Vi hittar vad vi kallar en stel tillståndsekvation - högre tryck än förväntat så att det är svårt att klämma in dessa neutroner i kärnan. Och så, vi finner att densiteten inuti kärnan är lite lägre än vad som förväntades, sa Paschke.

"Vi behöver veta innehållet i neutronstjärnan och tillståndsekvationen, och sedan kan vi förutsäga egenskaperna hos dessa neutronstjärnor, " sa Kumar. "Så, vad vi bidrar till fältet med denna mätning av blykärnan gör att du bättre kan extrapolera till egenskaperna hos neutronstjärnor."

Den oväntat stela tillståndsekvationen som antyds av PREx-resultatet har djupa kopplingar till nya observationer av kolliderande neutronstjärnor gjorda av Nobelprisbelönta Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO, experimentera. LIGO är ett storskaligt fysikobservatorium som designades för att upptäcka gravitationsvågor.

"Nu när neutronstjärnor börjar snurra runt varandra, de sänder ut gravitationsvågor som detekteras av LIGO. Och när de närmar sig den sista bråkdelen av en sekund, gravitationskraften hos en neutronstjärna gör den andra neutronstjärnan till en tår – den blir faktiskt avlång som en amerikansk fotboll. Om neutronhuden är större, då betyder det en viss form för fotbollen, och om neutronhuden var mindre, det betyder en annan form för fotbollen. Och formen på fotbollen mäts av LIGO, ", sa Kumar. "LIGO-experimentet och PREx-experimentet gjorde väldigt olika saker, men de är förbundna med denna grundläggande ekvation - ekvationen för kärnämnes tillstånd."