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. Коллаборация Lead Radius Experiment, названная PREx (от химического символа свинца, Pb), изучает мельчайшие детали того, как протоны и нейтроны распределяются в ядрах свинца.
"Вопрос в том, где нейтроны ведут. Свинец – это тяжелое ядро - есть лишние нейтроны, но что касается ядерных взаимодействий, равное сочетание протонов и нейтронов работает лучше », – сказал Кент Пашке, профессор Университета Вирджинии и со-спикер эксперимента.
Пашке объяснил, что легкие ядра, содержащие всего несколько протонов, обычно имеют 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 входом для понимания того, как тяжелые ядра устроены вместе.
«Протоны в ядре свинца находятся в сфере, и мы обнаружили, что нейтроны находятся в более крупной сфере вокруг них, и мы называем это нейтронной оболочкой», – сказал Пашке.
Результат эксперимента PREx, опубликованный в Physical Review Letters в 2012 году, предоставил первое экспериментальное наблюдение этой нейтронной оболочки с использованием методов рассеяния электронов. Следуя этому результату, коллаборация решила провести более точное измерение его толщины в PREx-II.
Измерение проводилось летом 2019 года с использованием ускорителя непрерывного электронного пучка, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США. В этом эксперименте, как и в первом, измерялся средний размер ядра свинца в единицах нейтронов.
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.
PREx использует другую фундаментальную силу, слабую ядерную силу, для изучения распределения нейтронов.
"Протоны обладают электрическим зарядом и могут быть нанесены на карту с помощью электромагнитной силы. Нейтроны не имеют электрического заряда, но по сравнению с протонами они имеют большой слабый заряд, поэтому, если вы используете слабое взаимодействие, вы можете выяснить, где находятся нейтроны."объяснил Пашке.
В ходе эксперимента точно управляемый пучок электронов врезался в тонкий лист криогенно охлажденного свинца.
Эти электроны вращались в своем направлении движения, как спираль при футбольном пасе.
Электроны в пучке взаимодействуют с протонами или нейтронами свинцовой мишени посредством электромагнитного или слабого взаимодействия. В то время как электромагнитное взаимодействие является зеркально-симметричным, слабое взаимодействие не является.
Это означает, что электроны, которые взаимодействовали посредством электромагнетизма, делали это независимо от направления спина электронов, в то время как электроны, которые взаимодействовали посредством слабого взаимодействия, предпочтительно делали это чаще, когда спин был в одном направлении, а не в другом.
"Используя эту асимметрию в рассеянии, мы можем определить силу взаимодействия, и это говорит нам о размере объема, занятого нейтронами. Он говорит нам, где нейтроны по сравнению с протонами."- сказал Кришна Кумар, со-спикер эксперимента и 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 цикл мы знали, где находятся правый и левый лучи относительно друг друга в пределах ширины 10 атомов», – сказал Кумар.
Электроны, которые рассеялись на ядрах свинца, оставив их нетронутыми, были собраны и проанализированы.
Затем коллаборация PREx-II объединила его с предыдущим результатом 2012 года и прецизионными измерениями радиуса протона ядра свинца, который часто называют его зарядовым радиусом.
«Радиус заряда около 5.5 фемтометров. А распределение нейтронов немного больше – около 5.8 фемтометров, поэтому нейтронный скин .28 фемтометров, или около .28 миллионных долей нанометра ", – сказал Пашке.
Исследователи заявили, что эта цифра толще, чем предполагали некоторые теории, что имеет значение для физических процессов в нейтронных звездах и их размеров.
"Это наиболее прямое наблюдение нейтронной кожи. Мы находим то, что мы называем жестким уравнением состояния – давление выше ожидаемого, так что эти нейтроны трудно втиснуть в ядро. Итак, мы обнаруживаем, 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. "Итак, то, что мы вносим в эту область с помощью этого измерения ядра свинца, позволяет вам лучше экстраполировать свойства нейтронных звезд."
Неожиданно жесткое уравнение состояния, подразумеваемое результатом PREx, имеет глубокую связь с недавними наблюдениями сталкивающихся нейтронных звезд, сделанными в эксперименте с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), получившим Нобелевскую премию. LIGO – это крупномасштабная 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 за последнюю долю секунды, гравитационное притяжение одной нейтронной звезды превращает другую нейтронную звезду в слезу – она фактически становится продолговатой, как в американском футболе. Если нейтронная оболочка больше, то это означает определенную форму для футбольного мяча, а если нейтронная оболочка была меньше, это означает другую форму для футбольного мяча. А форму футбольного мяча измеряет LIGO, – сказал Кумар. "Эксперимент LIGO и эксперимент PREx сделали очень разные вещи, но их связывает одно фундаментальное уравнение – уравнение состояния ядерной материи."