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Las mediciones de alta resolución muestran que la “piel” de la estrella de neutrones tiene menos de un millón de nanómetros de espesor.

Ilustración de una poderosa explosión de rayos X proveniente de una estrella magnética, una versión supermagnética de un remanente estelar conocido como estrella de neutrones. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA)

Los físicos nucleares están realizando nuevas mediciones de alta resolución de la capa de neutrones que abarca el núcleo principal, revelando nueva información sobre las estrellas de neutrones.

Los físicos nucleares han realizado una medición nueva y altamente precisa del grosor de la “piel” de neutrones que incluye un núcleo de plomo en experimentos llevados a cabo en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. Y que se acaba de publicar en Cartas de revisión física. El resultado, que reveló un espesor de piel de neutrones de 0,28 ppm de nanómetro, tiene importantes implicaciones para la estructura y el tamaño de las estrellas de neutrones.

Los protones y neutrones que forman el núcleo están en el núcleo de cada maíz En el universo, ayuda a definir la identidad y las propiedades de cada átomo. Los físicos nucleares estudian diferentes núcleos para aprender más sobre cómo funcionan estos protones y neutrones dentro del núcleo. La colaboración del Experimento Lead Radius, llamada PREx (después del símbolo químico del plomo, Pb), estudia las sutilezas de cómo se distribuyen los protones y neutrones en los núcleos de plomo.

La pregunta es dónde están los neutrones en primer plano. Kent Bashki, profesor de la Universidad de Virginia y portavoz del experimento, dijo que el plomo es un núcleo pesado: hay neutrones adicionales, pero en lo que respecta a la fuerza nuclear, una mezcla igual de protones y neutrones funciona mejor.

La sala experimental del Jefferson A.

La Sala Experimental del Laboratorio Jefferson es una de las cuatro áreas de investigación de la física nuclear en la Instalación de Aceleración Continua de Haz de Electrones del Laboratorio. Crédito: Laboratorio Jefferson del Departamento de Energía

Bashki explicó que los núcleos ligeros, que contienen algunos protones, suelen tener el mismo número de protones y neutrones en su interior. A medida que los núcleos se vuelven más pesados, necesitan más neutrones que protones para mantenerse estables. Todos los núcleos estables con más de 20 protones contienen más neutrones que protones. Por ejemplo, el plomo tiene 82 protones y 126 neutrones. Medir cómo se distribuyen estos neutrones adicionales dentro del núcleo es una entrada clave para comprender cómo se agrupan los núcleos pesados.

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“Los protones en el núcleo principal están en una bola”, dijo Bashki. “Descubrimos que los neutrones están en una bola más grande a su alrededor, y la llamamos piel de neutrones”.

El resultado del ensayo PREx se ha publicado en Cartas de revisión física En 2012, realizó la primera observación experimental de esta piel de neutrones utilizando técnicas de dispersión de electrones. Tras este resultado, la colaboración procedió a una medición más precisa de su espesor en PREx-II. La medición se realizó en el verano de 2019 utilizando la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuos, una instalación usada de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Este experimento, como el primero, midió el tamaño medio del núcleo de un cable en términos de neutrones.

Los neutrones son difíciles de medir, porque muchos de los sensores sensibles que los físicos usan para medir partículas subatómicas se basan en medir la carga eléctrica de las partículas a través de la interacción electromagnética, que es una de las cuatro reacciones de la naturaleza. PREx utiliza una fuerza fundamental diferente, la fuerza nuclear débil, para estudiar la distribución de neutrones.

“Los protones tienen una carga eléctrica y se pueden determinar mediante la fuerza electromagnética. Los neutrones no tienen carga eléctrica, pero en comparación con los protones, tienen una gran carga débil, por lo que si usa la interacción débil, puede averiguar dónde están los neutrones son ”, explicó Baschke.

En el experimento, se envió un haz de electrones finamente controlado, que se rompió en una delgada hoja de plomo enfriado en frío. Estos electrones giraban en la dirección de su movimiento, como una hélice en un balón de fútbol.

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Los electrones del haz interactuaron con los protones o neutrones del objetivo principal, ya sea mediante una interacción electromagnética o una interacción débil. Si bien la reacción electromagnética es isomórfica, la interacción débil no lo es. Esto significa que los electrones que interactuaron a través del electromagnetismo lo hicieron independientemente de la dirección de rotación de los electrones, mientras que los electrones que interactuaron a través de la interacción débil interactuaron de manera más preferencial cuando los espines estaban en una dirección frente a la otra.

“Al usar la asimetría en la dispersión, podemos determinar la fuerza de la reacción, y esto nos dice cuánto volumen ocupan los neutrones. Nos dice dónde se comparan los neutrones con los protones”. Said Krishna Kumar, portavoz del ensayo y profesor de la Universidad de Massachusetts Amherst.

La medición requiere un alto grado de precisión para funcionar correctamente. A lo largo del experimento experimental, el haz de electrones se volteó de una dirección a su opuesta 240 veces por segundo, y los electrones viajaron aproximadamente una milla a través del acelerador CEBAF antes de colocarse con precisión en el objetivo.

“En promedio, en todo el rango, sabíamos dónde estaban los rayos derecho e izquierdo, en relación entre sí, en el amplio rango de 10 átomos”, dijo Kumar.

Los electrones que se dispersaron de los núcleos de plomo se recogieron y analizaron dejándolos intactos. A continuación, la colaboración PREx-II lo combinó con el resultado anterior de 2012 y las mediciones precisas del radio de protón de un núcleo de plomo, que a menudo se denomina radio de carga.

El radio de la carga es de aproximadamente 5,5 femtómetros. La distribución de neutrones es un poco más grande, alrededor de 5,8 femtómetros, por lo que la piel del neutrón es de 0,28 femtómetros, o alrededor de 28 partes por millón de nanómetro ”, dijo Baschke.

Los investigadores dijeron que este número es más grueso de lo que han sugerido algunas teorías, lo que afecta los procesos físicos en las estrellas de neutrones y su tamaño.

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“Esta es la observación más directa de la flagelación de neutrones. Estamos encontrando lo que llamamos la ecuación de estado sólido: una presión más alta de lo esperado que es difícil comprimir estos neutrones en el núcleo. Por lo tanto, encontramos que la densidad dentro del el núcleo es ligeramente más bajo de lo esperado “, dijo Baschke.

“Necesitamos conocer el contenido Estrella neutrón Y la ecuación de estado, para que podamos predecir las propiedades de estas estrellas de neutrones “, dijo Kumar.” Entonces, lo que contribuimos al campo con esta medición del núcleo principal te permite extrapolar mejor las propiedades de las estrellas de neutrones “.

La ecuación de estado inesperadamente rígida implícita en el resultado PREx tiene vínculos profundos con observaciones recientes de estrellas de neutrones en colisión realizadas por el Observatorio de ondas gravitacionales láser, ganador del Premio Nobel, o Lego, Experimento – hizo experimentos. LIGO es un observatorio físico a gran escala diseñado para la detección Ondas gravitacionales.

“Cuando las estrellas de neutrones comienzan a orbitar entre sí, emiten ondas gravitacionales que fueron detectadas por LIGO. A medida que se acercan en la última fracción de segundo, la gravedad de una estrella de neutrones hace que la otra estrella de neutrones tenga forma de lágrima – en realidad se convierte en un rectángulo como un balón de fútbol. Americano Si la piel de neutrones es más grande, significa una forma específica de fútbol, ​​y si la piel de neutrones es más pequeña, significa una forma diferente para el fútbol. “La forma del fútbol se mide con LIGO”. “El experimento LIGO y el experimento PREx hizo cosas muy diferentes ”, dijo Kumar. Pero están relacionadas con esta ecuación básica: la ecuación del estado de la materia nuclear”.

Referencia: “Determinación precisa del espesor de la piel de neutrones para 208Lead by Valence Violation in Electron Scattering “Por D. Adhikari et al. (Colaboración PREX), 27 de abril de 2021, disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

La colaboración experimental PREx-II incluye 13 doctorados. Estudiantes y siete participantes de investigación postdoctoral, así como más de 70 académicos de casi 30 instituciones.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC) y el Instituto Italiano Nucleare (INFN).