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高分辨率测量表明,中子星的“皮肤”厚度小于一百万纳米

从磁星爆炸的强大X射线爆炸的插图-一种称为中子星的恒星残留物的超磁形式。 图片来源:NASA的戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯(USRA)

核物理学家正在对包含铅核的中子层进行新的高分辨率测量,从而揭示有关中子星的新信息。

核物理学家已经在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室进行的实验中对中子“蒙皮”的厚度进行了新的,高度精确的测量,其中包括铅芯。 体检信。 结果表明,中子皮厚度为0.28 ppm纳米,对中子星的结构和大小具有重要意义。

组成原子核的质子和中子是每个原子核的核心 玉米 在宇宙中,它有助于定义每个原子的身份和特性。 核物理学家研究不同的原子核,以了解有关这些质子和中子在原子核内如何工作的更多信息。 Lead Radius实验合作组织称为PREx(在铅的化学符号后,Pb),研究了质子和中子在铅原子核中的分布方式的微妙之处。

问题是中子在前景中的位置。 弗吉尼亚大学教授兼实验发言人肯特·巴什基(Kent Bashki)说,铅是一个重核,存在中子,但是就核力而言,质子与中子的均等混合效果更好。

杰斐逊·A(Jefferson A)的实验大厅。

杰斐逊实验室实验大厅是实验室连续电子束加速设施中核物理研究的四个领域之一。 图片来源:能源部的杰斐逊实验室

Bashki解释说,包含几个质子的轻核通常内部具有相等数量的质子和中子。 随着原子核变得越来越重,它们需要更多的中子而不是质子来保持稳定。 具有超过20个质子的所有稳定核都包含比质子更多的中子。 例如,铅具有82个质子和126个中子。 测量这些额外的中子如何在原子核内分布是了解重原子如何组合在一起的关键输入。

巴什基说:“铅原子核中的质子在一个球中。我们发现中子在它周围的一个更大的球中,我们称之为中子皮。”

PREx试用版的结果已发布在 体检信 2012年,它使用电子散射技术对该中子皮肤进行了首次实验观察。 得到此结果后,合作进行了更精确的PREX-II厚度测量。 测量是在2019年夏天使用连续电子束加速器设备进行的,该设备是能源部科学办公室的二手设备。 与第一个实验一样,该实验以中子的方式测量了铅原子核的平均大小。

中子很难测量,因为物理学家用来测量亚原子颗粒的许多敏感传感器都依赖于通过电磁相互作用测量颗粒的电荷,而电磁相互作用是自然界中的四个反应之一。 PREx使用不同的基本力即弱核力来研究中子的分布。

“质子带有电荷,可以利用电磁力确定。中子没有电荷,但是与质子相比,它们具有较大的弱电荷,因此,如果使用弱相互作用,则可以找出中子的位置是”,Baschke解释道。

在实验中,发送了精确控制的电子束,将其砸碎成薄片的冷冷却铅。 这些电子沿运动方向旋转,就像足球上的螺旋线一样。

束中的电子通过电磁相互作用或弱相互作用与主要目标的质子或中子相互作用。 虽然电磁反应是同构的,但弱相互作用不是。 这意味着无论电磁旋转的方向如何,通过电磁相互作用的电子都这样做,而当自旋在一个方向上相对于另一方向时,通过弱相互作用进行交互的电子更优先地相互作用。

“通过在散射中使用不对称性,我们可以确定反应的强度,这告诉我们中子占据了多少体积。它告诉我们中子与质子的位置。” 审判发言人兼麻省大学阿默斯特分校教授克里希纳·库玛(Krishna Kumar)说。

测量需要高度的准确性才能成功执行。 在整个实验过程中,电子束每秒从一个方向向相反的方向翻转240次,然后电子通过CEBAF加速器行进约1英里,然后精确地放置在目标上。

库马尔说:“平均而言,在整个范围内,我们知道左右光线在10个原子宽范围内的相对位置。”

收集并分析了从铅原子核散射的电子,同时保持它们完整无缺。 接下来,PREx-II合作将其与2012年以前的结果以及对铅芯质子半径的精确测量(通常称为装药半径)结合起来。

装药的半径约为5.5飞米。 巴施克说,中子的分布稍大-约为5.8飞米,因此中子皮为0.28飞米,约占百万分之28纳米。

研究人员说,这个数字比某些理论所建议的要厚,这会影响中子星的物理过程及其大小。

“这是对中子f变的最直接观察。我们正在发现我们所谓的固态方程式-压力高于预期,很难将这些中子压缩到核中。因此,我们发现了中子内部的密度细胞核略低于预期。”

“我们需要知道内容 中子星 以及状态方程,因此我们可以预测这些中子星的性质。”库玛说。“因此,通过测量铅核对我们的贡献是,您可以更好地推断中子星的性质。

PREx结果暗示的出乎意料的刚性状态方程与最近获得诺贝尔奖的激光引力波天文台对撞的中子星的观测有着深刻的联系,或者 乐高积木,实验-他做了实验。 LIGO是专为检测而设计的大型物理天文台 引力波

“当中子星开始互相绕行时,它们会发射出由LIGO探测到的引力波。当它们在最后一秒钟接近时,一个中子星的引力使另一个中子星呈水滴状-实际上变成了一个像如果中子皮较大,则表示橄榄球特定的形状;如果中子皮较小,则表示足球具有不同的形状。“橄榄球的形状由LIGO测量。”库玛说,PREx实验做的事情非常不同。但是,它们与这个基本方程式-核物质方程式的状态有关。

参考:“准确测定中子皮厚度 208电子散射中价价违背的领导作用“由D. Adhikari等人(PREX合作),2021年4月27日,在此处提供。 体检信
DOI:10.1103 / PhysRevLett.126.172502

PREx-II实验合作项目包括13个博士学位。 学生和7名博士后研究参与者以及来自近30个机构的70多名其他学者。

这项工作得到了能源部科学办公室,国家科学基金会,加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)和意大利核研究所(INFN)的支持。

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