En ny högprecisionsmätning av neutronhuden i dubbelt magisk kalcium-48 kan hjälpa till att kasta ljus över proton-neutroninteraktioner inuti kärnor. Detta är den första mycket robusta elektrosvaga mätningen av neutronhuden i en medelviktig kärna. Resultaten från denna nya mätning, gjord av 48Ca Radius EXperiment (CREX) samarbete vid DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility, kommer att presenteras vid höstmötet 2021 för APS Division of Nuclear Physics.

"Vi studerar en speciell neutronrik kärna som kallas kalcium-48. Det är en speciell isotop av kalcium som har ett överskott av neutroner. Kärnan är gjord av protoner och neutroner, och kalcium-48 har fler neutroner än protoner. Vi försöker förstå hur de är fördelade i denna täta kärna, " säger Caryn Palatchi, en forskarassistent vid University of Virginia som kommer att presentera resultaten.

I den mest massiva stabila kärnan som mäts, bly-208, det bekräftades nyligen att relativt lika antal protoner och neutroner samlas mot kärnan, medan extra neutroner trycks ut till kanten. Nu, Kärnfysiker testar om detta stämmer för den fortfarande tätbefolkade men mycket mindre massiva och stabila kalcium-48-kärnan.

"Denna speciella isotop har ett överskott av neutroner och en densitet som är hög. Man tror att neutronerna kan spridas ut och sträcka sig längre ut än protonerna för att skapa denna hud, en neutronhud, som omger kalciumkärnan. Vi försöker mäta denna hud och hur tjock den är, säger Palatchi.

Tjockleken på neutronhuden av bly-208 befanns vara tjockare än man en gång trodde, med implikationer inte bara för strukturen av kärnor, men också för neutronstjärnor. Denna nya mätning av neutronhuden i kalcium-48 kommer också att ha nya implikationer för kärnfysikers förståelse av kärnornas struktur.

"Den mindre kalciumkärnan har färre protoner och neutroner, och det är bara inom räckhåll för vissa typer av beräkningar som kommer från första principer, eller ab initio beräkningar. Mellan de två olika mätningarna, vi kan jämföra dem med modeller som är ab initio beräkningar av nukleon-nukleon-interaktioner och modeller som är för en enhetlig tät kärna, " Palatchi förklarar. "Så, mellan de två experimenten, du kan prata om att det här landskapet beskriver mycket tät materia."

Experimentet utfördes i Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE vetenskaplig användaranläggning. Data togs från december 2019 till mars 2020 och juli till september 2020. I experimentet, en stråle av energiska elektroner riktades in i en silverfärgad skiva av ren kalcium-48 som var formad som en hockeypuck — ungefär lika stor som en halv dollar och en halv tum tjock.

De energiska elektronerna interagerar med protoner och neutroner inuti kalciumkärnorna via den elektrosvaga kraften. Medan interaktioner via den elektromagnetiska delen av den elektrosvaga kraften är paritetsbevarande, interaktioner via den svaga kraftdelen är paritetskränkande.

"Paritet är en spegelsymmetri. Det hänvisar till om du skulle ändra interaktionen från höger till vänster och från upp till ned, samma resultat skulle inträffa, " Palatchi förklarar. "Paritetskränkande betyder att det finns en interaktion som om du gör en spegelbild av den, det blir inte samma sak; spegelbilden är inte identisk."

Denna paritetsöverträdelsekaraktär gör det möjligt för kärnfysikerna att skärpa in på elektronernas interaktioner med neutroner inuti kalcium-48-kärnan.

"Paritetsbrott är en signatur av den svaga kraften, och neutroner har en svag laddning. Så, vi sonderar verkligen neutronerna. Vi använder den svaga kraften för att undersöka dem, säger Palatchi.

Det slutliga resultatet kommer att ge information om kalcium-48s formfaktor, dess neutronskal och neutronradien. De liknande experimentella förhållandena möjliggör också jämförelser mellan kalcium-48 och bly-208 kärnor.

"Vi förväntar oss att sätta ett riktmärke med denna mätning. Neutronhuden i bly kom ut tjock i förhållande till våra förväntningar, så vi förväntar oss detsamma med kalcium, "säger Robert Michaels, en stabsforskare vid Jefferson Lab som också kommer att presentera resultaten med ytterligare diskussion. "Hur som helst, vi förväntar oss att detta resultat ska berätta något nytt om strukturen hos täta kärnor."

Den första offentliga presentationen av resultatet av 48Ca Radius EXperiment (CREX) kommer att göras av Caryn Palatchi, en forskarassistent vid University of Virginia. Hon kommer att presentera de första resultaten från CREX vid höstmötet 2021 för APS Division of Nuclear Physics. Robert Michaels, en personalvetare på Jefferson Lab, kommer också att presentera resultatet med ytterligare diskussion. Mötet hålls i stort sett 11-14 oktober.