Оболочка нейтронной звезды имеет толщину менее одной миллионной нанометра, - ученые

Ядерные физики провели новое высокоточное измерение в Лаборатории Джефферсона Министерства энергетики США. Результат измерений, который показал, что толщина нейтронной оболочки ядра свинца составляет 0,28 миллионных нанометра, имеет важное значение для понимания структуры и размера нейтронных звезд, сообщает Scitechdaily

Протоны и нейтроны, составляющие ядро ​​каждого атома во Вселенной, помогают определить идентичность и свойства каждого атома. Физики-ядерщики изучают различные ядра, чтобы узнать больше о том, как эти протоны и нейтроны действуют внутри ядра. Ученые изучают мельчайшие детали того, как протоны и нейтроны распределяются в ядрах свинца.

"Вопрос в том, где находятся нейтроны в свинце. Свинец — это тяжелое ядро, там есть лишние нейтроны, но что касается ядерной силы, равное сочетание протонов и нейтронов работает лучше", — говорит Кент Пашке, профессор Университета Вирджинии.

Пашке объясняет, что легкие ядра, содержащие всего несколько протонов, обычно содержат одинаковое количество протонов и нейтронов внутри. По мере того, как ядра становятся тяжелее, им нужно больше нейтронов, чем протонов, чтобы оставаться стабильными. Все стабильные ядра, которые имеют более 20 протонов, имеют больше нейтронов, чем протонов. Например, в свинце 82 протона и 126 нейтронов. Измерение того, как эти дополнительные нейтроны распределяются внутри ядра, является ключевым моментом для понимания того, как устроены тяжелые ядра.

"Протоны в ядре свинца находятся в сфере, мы обнаружили, что нейтроны находятся в более крупной сфере вокруг них, мы называем это нейтронной оболочкой", — говорит Пашке.

Первые экспериментальные наблюдения за нейтронной оболочкой проводились методом рассеивания нейтронов в 2012 году. Следующее более точное измерение состоялось летом 2019 года с использованием электронного ускорителя-рекуператора CEBAF. В этом эксперименте, как и в первом, измерялся средний размер ядра свинца, выраженный в нейтронах.

Нейтроны трудно измерить, потому что многие чувствительные зонды, которые физики используют для измерения субатомных частиц, полагаются на измерение электрического заряда частиц через электромагнитное взаимодействие, одно из четырех взаимодействий в природе. В данном исследовании ученые используют другую фундаментальную силу, слабую ядерную силу, для изучения распределения нейтронов.

"Протоны имеют электрический заряд и могут быть нанесены на карту с помощью электромагнитной силы. У нейтронов нет электрического заряда, но по сравнению с протонами они имеют большой слабый заряд, и поэтому, если вы используете слабое взаимодействие, вы можете выяснить, где находятся нейтроны", — говорит Пашке.

В ходе эксперимента точно управляемый пучок электронов врезался в тонкий пласт криогенно охлажденного свинца. Эти электроны вращались во время движения как по спирали во время футбольного паса.

Электроны в пучке взаимодействуют с протонами или нейтронами свинца посредством электромагнитного или слабого взаимодействия. В то время как электромагнитное взаимодействие зеркально-симметрично, слабое взаимодействие — нет. Это означает, что электроны, которые взаимодействовали посредством электромагнетизма, делали это независимо от направления вращения электронов, в то время как электроны, которые взаимодействовали посредством слабого взаимодействия, предпочтительно делали это чаще, когда вращение было в одном направлении.

"Используя эту асимметрию в рассеивании, мы можем определить силу взаимодействия, и это говорит нам о размере объема, занятого нейтронами. Это показывает нам, где нейтроны сравнялись с протонами", — говорит Кришна Кумар, профессор Массачусетского университета в Амхерсте.

Для успешного выполнения измерения требовалась высокая степень точности. На протяжении всего эксперимента вращение электронного луча менялось с одного направления на противоположное 240 раз в секунду, а затем электроны прошли почти милю через ускоритель CEBAF, прежде чем точно попасть на цель.

"В среднем за весь период мы знали, где находятся правый и левый лучи относительно друг друга в пределах ширины 10 атомов", — сказал Кумар.

Электроны, которые рассеялись на ядрах свинца были собраны и проанализированы. Затем ученые объединили результат с предыдущим результатом 2012 года и точными измерениями радиуса протона ядра свинца, который часто называют радиусом заряда.

"Радиус заряда составляет около 5,5 фемтометров (1 фемтометр = 10-15 метра). А распределение нейтронов немного больше — около 5,8 фемтометра, поэтому нейтронная оболочка составляет 0,28 фемтометра, или около 0,28 миллионных долей нанометра", — сказал Пашке.

Исследователи заявили, что эта цифра больше, чем предполагали некоторые теории, и это имеет важное значение для физических процессов в нейтронных звездах и их размеров.

"Это наиболее прямое наблюдение нейтронной оболочки. Мы находим то, что мы называем жестким уравнением состояния — давление выше ожидаемого, так что эти нейтроны трудно втиснуть в ядро. Итак, мы обнаружили, что плотность внутри ядра немного ниже, чем ожидалось", — сказал Пашке.

"Нам нужно знать состав нейтронной звезды и уравнение состояния, и тогда мы сможем предсказать свойства этих нейтронных звезд", — сказал Кумар. "То, что мы вносим в эту область науки с помощью этого измерения ядра свинца, позволяет лучше экстраполировать свойства нейтронных звезд".

Неожиданно жесткое уравнение состояния, подразумеваемое результатом эксперимента, имеет глубокую связь с недавними наблюдениями сталкивающихся нейтронных звезд, сделанными в эксперименте с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, получившей Нобелевскую премию, или LIGO. LIGO — это масштабная физическая обсерватория, предназначенная для обнаружения гравитационных волн.

"Когда нейтронные звезды начинают вращаться вокруг друг друга, они излучают гравитационные волны, которые обнаруживает LIGO. И когда они сближаются в последнюю долю секунды, гравитационное притяжение одной нейтронной звезды превращает другую нейтронную звезду в слезу — она ​​фактически становится продолговатой, как мяч в американском футболе. Если нейтронная оболочка больше, то это будет одна форма "футбольного мяча", а если нейтронная оболочка меньше, то это будет совсем другая форма. А форму этого "футбольного мяча" измеряет LIGO", — сказал Кумар. "Эксперимент LIGO и эксперимент из Лаборатории Джефферсона - это очень разные вещи, но они связаны этим фундаментальным уравнением — уравнением состояния ядерной материи".