Pengukuran resolusi tinggi menunjukkan bahwa “kulit” bintang neutron memiliki ketebalan kurang dari satu juta nanometer

Ilustrasi ledakan sinar-X yang kuat yang meledak dari bintang magnet – versi supermagnetik dari sisa-sisa bintang yang dikenal sebagai bintang neutron. Kredit: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA / Chris Smith (USRA)

Fisikawan nuklir membuat pengukuran resolusi tinggi baru dari lapisan neutron yang melingkupi inti utama, mengungkapkan informasi baru tentang bintang neutron.

Fisikawan nuklir telah melakukan pengukuran baru dan sangat akurat terhadap ketebalan “kulit” neutron yang mencakup inti timbal dalam eksperimen yang dilakukan di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson Departemen Energi AS dan baru saja diterbitkan di Surat ulasan fisik. Hasilnya, yang mengungkapkan ketebalan kulit neutron 0,28 ppm nanometer, memiliki implikasi penting bagi struktur dan ukuran bintang neutron.

Proton dan neutron yang menyusun inti berada pada inti masing-masing Jagung Di alam semesta, ini membantu menentukan identitas dan properti setiap atom. Fisikawan nuklir mempelajari inti yang berbeda untuk mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana proton dan neutron ini bekerja di dalam inti. Kolaborasi Eksperimen Radius Timbal, yang disebut PREx (setelah simbol kimia untuk timbal, Pb), mempelajari seluk-beluk bagaimana proton dan neutron didistribusikan dalam inti timbal.

Pertanyaannya adalah di mana neutron berada di latar depan. Kent Bashki, seorang profesor di University of Virginia dan juru bicara eksperimen, mengatakan timbal adalah inti yang berat – ada lebih banyak neutron, tetapi sejauh menyangkut gaya nuklir, campuran proton dan neutron yang sama bekerja lebih baik.

Balai Percobaan Laboratorium Jefferson adalah salah satu dari empat bidang penelitian fisika nuklir di Fasilitas Percepatan Berkas Elektron Berkelanjutan di Laboratorium. Kredit: Laboratorium Jefferson Departemen Energi

Bashki menjelaskan bahwa inti cahaya, yang mengandung beberapa proton, biasanya memiliki jumlah proton dan neutron yang sama di dalamnya. Ketika inti menjadi lebih berat, mereka membutuhkan lebih banyak neutron daripada proton untuk tetap stabil. Semua inti stabil dengan lebih dari 20 proton mengandung lebih banyak neutron daripada proton. Misalnya, timbal memiliki 82 proton dan 126 neutron. Mengukur bagaimana neutron ekstra ini didistribusikan di dalam nukleus adalah masukan kunci untuk memahami seberapa berat inti dikelompokkan bersama.

“Proton dalam inti utama berada dalam sebuah bola,” kata Bashki. “Kami menemukan bahwa neutron berada dalam bola yang lebih besar di sekitarnya, dan kami menyebutnya kulit neutron.”

Hasil uji coba PREx telah dipublikasikan di Surat ulasan fisik Pada tahun 2012, dilakukan pengamatan eksperimental pertama pada kulit neutron ini menggunakan teknik hamburan elektron. Setelah hasil ini, kolaborasi dilanjutkan dengan pengukuran ketebalan yang lebih akurat pada PREx-II. Pengukuran dilakukan pada musim panas 2019 menggunakan Continuous Electron Beam Accelerator Facility, fasilitas bekas dari Kantor Sains Departemen Energi. Eksperimen ini, seperti yang pertama, mengukur ukuran rata-rata inti timbal dalam hal neutron.

Neutron sulit diukur, karena banyak sensor sensitif yang digunakan fisikawan untuk mengukur partikel subatomik mengandalkan pengukuran muatan listrik partikel melalui interaksi elektromagnetik, yang merupakan salah satu dari empat reaksi di alam. PREx menggunakan gaya fundamental yang berbeda, gaya nuklir lemah, untuk mempelajari distribusi neutron.

“Proton memiliki muatan listrik dan dapat ditentukan menggunakan gaya elektromagnetik. Neutron tidak memiliki muatan listrik, tetapi dibandingkan dengan proton, mereka memiliki muatan lemah yang besar, jadi jika Anda menggunakan interaksi lemah, Anda dapat mengetahui di mana letak neutron. adalah, ”jelas Baschke.

Dalam percobaan tersebut, seberkas elektron yang terkontrol dengan baik dikirim, dihancurkan menjadi selembar tipis timah dingin. Elektron-elektron ini berputar ke arah gerakan mereka, seperti heliks pada bola sepak.

Elektron dalam berkas berinteraksi dengan proton atau neutron dari target utama baik melalui interaksi elektromagnetik atau interaksi lemah. Sementara reaksi elektromagnetik adalah isomorfik, interaksi lemah tidak. Ini berarti bahwa elektron yang berinteraksi melalui elektromagnetisme melakukannya terlepas dari arah rotasi elektron, sedangkan elektron yang berinteraksi melalui interaksi lemah berinteraksi lebih istimewa ketika putaran berada dalam satu arah versus yang lain.

“Dengan menggunakan asimetri dalam hamburan, kita dapat menentukan kekuatan reaksi, dan ini memberitahu kita berapa banyak volume yang ditempati neutron. Ia memberitahu kita di mana neutron dibandingkan dengan proton.” Kata Krishna Kumar, juru bicara persidangan dan profesor di Universitas Massachusetts Amherst.

Pengukuran tersebut membutuhkan tingkat akurasi yang tinggi agar dapat berfungsi dengan baik. Sepanjang percobaan eksperimental, berkas elektron dibalik dari satu arah ke arah sebaliknya 240 kali per detik, dan elektron kemudian berjalan sekitar satu mil melalui akselerator CEBAF sebelum ditempatkan tepat pada target.

“Rata-rata pada rentang penuh, kami tahu di mana sinar kanan dan kiri berada, relatif satu sama lain, dalam jangkauan lebar 10 atom,” kata Kumar.

Elektron yang tersebar dari inti timbal dikumpulkan dan dianalisis sambil membiarkannya tetap utuh. Selanjutnya, kolaborasi PREx-II menggabungkannya dengan hasil tahun 2012 sebelumnya dan pengukuran presisi jari-jari proton dari inti timbal, yang sering disebut sebagai jari-jari muatan.

Jari-jari muatan sekitar 5,5 femtometer. Distribusi neutron sedikit lebih besar – sekitar 5,8 femtometer, sehingga kulit neutron adalah 0,28 femtometer, atau sekitar 28 bagian per juta nanometer, ”kata Baschke.

Para peneliti mengatakan angka ini lebih tebal dari yang dikemukakan beberapa teori, yang mempengaruhi proses fisik dalam bintang neutron dan ukurannya.

“Ini adalah pengamatan yang paling langsung dari cambuk neutron. Kami menemukan apa yang kami sebut persamaan solid-state – tekanan yang lebih tinggi dari yang diharapkan sehingga sulit untuk memampatkan neutron ini ke dalam inti. Jadi, kami menemukan bahwa kerapatan di dalam inti atom. inti sedikit lebih rendah dari yang diharapkan, “kata Baschke.

“Kami perlu tahu isinya Bintang neutron Dan persamaan keadaan, sehingga kita dapat memprediksi sifat-sifat bintang neutron ini, “kata Kumar.” Jadi, apa yang kita kontribusikan pada bidang dengan pengukuran inti timbal ini memungkinkan Anda untuk mengekstrapolasi sifat-sifat bintang neutron dengan lebih baik. “

Persamaan keadaan kaku yang tidak terduga yang diimplikasikan oleh hasil PREx memiliki hubungan yang dalam dengan pengamatan baru-baru ini terhadap bintang neutron yang bertabrakan yang dilakukan oleh Laser Gravitational-Wave Observatory pemenang Hadiah Nobel, atau Lego, Eksperimen – dia melakukan eksperimen. LIGO adalah observatorium fisik berskala besar yang dirancang untuk deteksi Gelombang gravitasi.

“Ketika bintang neutron mulai mengorbit satu sama lain, mereka memancarkan gelombang gravitasi yang dideteksi oleh LIGO. Saat mereka mendekat dalam sepersekian detik terakhir, gravitasi satu bintang neutron membuat bintang neutron lainnya berbentuk tetesan air mata – itu benar-benar menjadi persegi panjang seperti sepak bola. Amerika Jika kulit neutron lebih besar maka itu berarti bentuk khusus sepak bola, dan jika kulit neutron lebih kecil maka itu berarti bentuk yang berbeda untuk sepak bola. “Bentuk sepak bola diukur dengan LIGO.” “Eksperimen LIGO dan percobaan PREx melakukan hal yang sangat berbeda, “kata Kumar. Tapi mereka terkait dengan persamaan dasar ini – persamaan keadaan materi nuklir.”

Referensi: “Penentuan ketebalan kulit neutron yang akurat untuk ²⁰⁸Dipimpin oleh Pelanggaran Valensi dalam Hamburan Elektron “Oleh D. Adhikari et al. (Kolaborasi PREX), 27 April 2021, Tersedia di sini. Surat ulasan fisik.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

Kolaborasi eksperimental PREx-II mencakup 13 PhD. Mahasiswa dan tujuh peserta penelitian postdoctoral, serta lebih dari 70 sarjana lainnya dari hampir 30 institusi.

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi, Yayasan Sains Nasional, Dewan Penelitian Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada (NSERC), dan Institut Nuklir Italia (INFN).