Оболонка нейтронної зірки має товщину менше однієї мільйонної нанометра, — вчені

Ядерні фізики провели нове високоточне вимірювання в Лабораторії Джефферсона Міністерства енергетики США. Результат вимірювань, який показав, що товщина нейтронної оболонки ядра свинцю становить 0,28 мільйонних нанометра, має важливе значення для розуміння структури та розміру нейтронних зірок, повідомляє Scitechdaily

Протони і нейтрони, що становлять ядро ​​кожного атома у Всесвіті, допомагають визначити ідентичність і властивості кожного атома. Фізики-ядерники вивчають різні ядра, щоб дізнатися більше про те, як ці протони і нейтрони діють всередині ядра. Вчені вивчають найдрібніші деталі того, як протони і нейтрони розподіляються в ядрах свинцю.

"Питання в тому, де знаходяться нейтрони в свинці. Свинець — це важке ядро, там є зайві нейтрони, але що стосується ядерної сили, рівне поєднання протонів і нейтронів працює краще", — говорить Кент Пашке, професор Університету Вірджинії.

Пашке пояснює, що легкі ядра, що містять всього кілька протонів, зазвичай містять однакову кількість протонів і нейтронів всередині. У міру того, як ядра стають важчими, їм потрібно більше нейтронів, ніж протонів, щоб залишатися стабільними. Всі стабільні ядра, які мають більше 20 протонів, мають більше нейтронів, ніж протонів. Наприклад, у свинці 82 протони і 126 нейтронів. Вимірювання того, як ці додаткові нейтрони розподіляються всередині ядра, є ключовим моментом для розуміння того, як влаштовані важкі ядра.

"Протони в ядрі свинцю знаходяться в сфері, ми зʼясували, що нейтрони знаходяться в більшій сфері навколо них, ми називаємо це нейтронною оболонкою", — говорить Пашке.

Перші експериментальні спостереження за нейтронною оболонкою проводилися методом розсіювання нейтронів у 2012 році. Наступне більш точне вимірювання відбулося влітку 2019 року з використанням електронного прискорювача-рекуператора CEBAF. У цьому експерименті, як і в першому, вимірювався середній розмір ядра свинцю, виражений в нейтронах.

Нейтрони важко виміряти, тому що більшість чутливих зондів, які фізики використовують для вимірювання субатомних частинок, покладаються на вимірювання електричного заряду частинок через електромагнітну взаємодію, одна з чотирьох взаємодій в природі. У цьому дослідженні вчені використовують іншу фундаментальну силу, слабку ядерну силу, для вивчення розподілу нейтронів.

"Протони мають електричний заряд і можуть бути нанесені на карту за допомогою електромагнітної сили. У нейтронів немає електричного заряду, але порівняно з протонами вони мають великий слабкий заряд, і тому, якщо ви використовуєте слабку взаємодію, ви можете зʼясувати, де знаходяться нейтрони", — говорить Пашке.

Під час експерименту точно керований пучок електронів врізався в тонкий пласт кріогенного охолодженого свинцю. Ці електрони оберталися під час руху як по спіралі під час футбольного пасу.

Електрони в пучку взаємодіють з протонами або нейтронами свинцю за допомогою електромагнітної або слабкої взаємодії. У той час як електромагнітна взаємодія дзеркально-симетрично, слабка взаємодія — ні. Це означає, що електрони, які взаємодіяли за допомогою електромагнетизму, робили це незалежно від напрямку обертання електронів, у той час як електрони, які взаємодіяли за допомогою слабкої взаємодії, переважно робили це частіше, коли обертання було в одному напрямку.

"За такою асиметрією в розсіюванні, ми можемо визначити силу взаємодії, і це говорить нам про розмір обсягу, зайнятого нейтронами. Це показує нам, де нейтрони зрівнялися з протонами", — говорить Крішна Кумар, професор Массачусетського університету в Амхерсті.

Для успішного виконання вимірювання був потрібний високий ступінь точності. Протягом усього експерименту обертання електронного променя змінювалося з одного напрямку на протилежний 240 разів на секунду, а потім електрони пройшли майже милю через прискорювач CEBAF, перш ніж точно потрапити на ціль.

"У середньому за весь період ми знали, де знаходяться правий і лівий промені відносно один одного в межах ширини 10 атомів", — сказав Кумар.

Електрони, які розсіялися на ядрах свинцю були зібрані та проаналізовані. Потім вчені обʼєднали результат із попереднім результатом 2012 року і точними вимірами радіуса протона ядра свинцю, який часто називають радіусом заряду.

"Радіус заряду становить приблизно 5,5 фемтометрів (1 фемтометр = 10-15 метрів). А розподіл нейтронів трохи більший — приблизно 5,8 фемтометрів, тому нейтронна оболонка становить 0,28 фемтометри, або приблизно 0,28 мільйонних часток нанометра", — сказав Пашке.

Дослідники заявили, що ця цифра більша, ніж припускали деякі теорії, і це має важливе значення для фізичних процесів у нейтронних зірках і їх розмірів.

"Це найбільш пряме спостереження нейтронної оболонки. Ми знаходимо те, що ми називаємо жорстким рівнянням стану — тиск вищий очікуваного, тож ці нейтрони важко втиснути в ядро. Отже, ми зʼясували, що щільність всередині ядра трохи нижча, ніж очікувалося", — сказав Пашке.

"Нам потрібно знати склад нейтронної зірки і рівняння стану, і тоді ми зможемо передбачити властивості цих нейтронних зірок", — сказав Кумар. "Те, що ми вносимо в цю галузь науки за допомогою цього виміру ядра свинцю, дозволяє краще екстраполювати властивості нейтронних зірок".

Несподівано жорстке рівняння стану, яке мається на увазі результатом експерименту, має глибокий звʼязок із нещодавніми спостереженнями нейтронних зірок, що стикаються, зробленими в експерименті з лазерною інтерферометричною гравітаційно-хвильовою обсерваторією, яка отримала Нобелівську премію, або LIGO. LIGO — це масштабна фізична обсерваторія, призначена для виявлення гравітаційних хвиль.

"Коли нейтронні зірки починають обертатися навколо одна одної, вони випромінюють гравітаційні хвилі, які виявляє LIGO. І коли вони зближуються в останню частку секунди, гравітаційне тяжіння однієї нейтронної зірки перетворює іншу нейтронну зірку на сльозу — вона фактично стає довгастою, як мʼяч в американському футболі. Якщо нейтронна оболонка більша, то це буде одна форма "футбольного мʼяча", а якщо нейтронна оболонка менша, то це буде зовсім інша форма. а форму цього "футбольного мʼяча" вимірює LIGO", — сказав Кумар. "Експеримент LIGO й експеримент із Лабораторії Джефферсона — це дуже різні речі, але вони повʼязані цим фундаментальним рівнянням — рівнянням стану ядерної матерії".