Un equipo de investigación, dirigido por William Lynch y Betty Tsang en la Instalación de Haces de Isótopos Raros (FRIB), se centra en aprender sobre neutrones en entornos densos. Lynch, Tsang y sus colaboradores utilizaron 20 años de datos experimentales de instalaciones de aceleradores y observaciones de estrellas de neutrones para comprender cómo interactúan las partículas en la materia nuclear bajo una amplia gama de densidades y presiones. El equipo quería determinar cómo la proporción de neutrones y protones influye en las fuerzas nucleares de un sistema. El equipo publicó recientemente sus hallazgos en Nature Astronomy. .

"En física nuclear, a menudo nos limitamos a estudiar sistemas pequeños, pero sabemos exactamente qué partículas hay en nuestros sistemas nucleares. Las estrellas nos brindan una oportunidad increíble, porque son sistemas grandes en los que la física nuclear juega un papel vital, pero no sabemos sabemos con seguridad qué partículas hay en su interior", afirmó Lynch, profesor de física nuclear en FRIB y en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Michigan (MSU).

"Son interesantes porque la densidad varía mucho dentro de sistemas tan grandes. Las fuerzas nucleares desempeñan un papel dominante dentro de ellos, pero sabemos comparativamente poco sobre ese papel".

Cuando una estrella con una masa entre 20 y 30 veces la del Sol agota su combustible, se enfría, colapsa y explota en una supernova. Después de esta explosión, sólo la materia de la parte más profunda del interior de la estrella se fusiona para formar una estrella de neutrones. Esta estrella de neutrones no tiene combustible para quemar y, con el tiempo, irradia el calor restante al espacio circundante.

Los científicos esperan que la materia en el núcleo externo de una estrella de neutrones fría sea más o menos similar a la materia en los núcleos atómicos, pero con tres diferencias:las estrellas de neutrones son mucho más grandes, son más densas en su interior y una fracción mayor de sus nucleones son neutrones. En lo profundo del núcleo interno de una estrella de neutrones, la composición de la materia de la estrella de neutrones sigue siendo un misterio.

"Si los experimentos pudieran proporcionar más orientación sobre las fuerzas que actúan en su interior, podríamos hacer mejores predicciones de su composición interior y de las transiciones de fase dentro de ellas. Las estrellas de neutrones presentan una gran oportunidad de investigación para combinar estas disciplinas", afirmó Lynch. P>

Las instalaciones de aceleradores como el FRIB ayudan a los físicos a estudiar cómo interactúan las partículas subatómicas en condiciones exóticas que son más comunes en las estrellas de neutrones. Cuando los investigadores comparan estos experimentos con observaciones de estrellas de neutrones, pueden calcular la ecuación de estado (EOS) de partículas que interactúan en entornos densos y de baja temperatura.

El EOS describe la materia en condiciones específicas y cómo sus propiedades cambian con la densidad. Resolver EOS para una amplia gama de entornos ayuda a los investigadores a comprender los efectos de la fuerza nuclear fuerte dentro de objetos densos, como las estrellas de neutrones, en el cosmos. También nos ayuda a aprender más sobre las estrellas de neutrones a medida que se enfrían.

"Esta es la primera vez que reunimos tal riqueza de datos experimentales para explicar la ecuación de estado en estas condiciones, y esto es importante", afirmó Tsang, profesor de ciencia nuclear en el FRIB. "Esfuerzos anteriores han utilizado la teoría para explicar la baja densidad y baja energía de la materia nuclear. Queríamos utilizar todos los datos que teníamos disponibles de nuestras experiencias anteriores con aceleradores para obtener una ecuación de estado completa". P>

Los investigadores que buscan el EOS a menudo lo calculan a temperaturas más altas o densidades más bajas. Luego extraen conclusiones para el sistema en una gama más amplia de condiciones. Sin embargo, los físicos han llegado a comprender en los últimos años que una EOS obtenida a partir de un experimento sólo es relevante para un rango específico de densidades.

Como resultado, el equipo necesitó reunir datos de una variedad de experimentos con aceleradores que utilizaron diferentes mediciones de núcleos en colisión para reemplazar esas suposiciones con datos. "En este trabajo, hicimos dos preguntas", dijo Lynch. "Para una medición determinada, ¿qué densidad sondea esa medición? Después de eso, preguntamos qué nos dice esa medición sobre la ecuación de estado en esa densidad".

En su artículo reciente, el equipo combinó sus propios experimentos en instalaciones de aceleradores en Estados Unidos y Japón. Reunió datos de 12 limitaciones experimentales diferentes y tres observaciones de estrellas de neutrones. Los investigadores se centraron en determinar la EOS de la materia nuclear que oscila entre la mitad y tres veces la densidad de saturación de un núcleo, la densidad que se encuentra en el núcleo de todos los núcleos estables. Al producir este completo EOS, el equipo proporcionó nuevos puntos de referencia para que las comunidades más grandes de física nuclear y astrofísica modelen con mayor precisión las interacciones de la materia nuclear.

El equipo mejoró sus mediciones en densidades intermedias que las observaciones de estrellas de neutrones no proporcionan a través de experimentos en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​en Alemania, el Centro RIKEN Nishina para Ciencias Basadas en Aceleradores en Japón y el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (predecesor del FRIB). ). Para permitir mediciones clave discutidas en este artículo, sus experimentos ayudaron a financiar avances técnicos en la adquisición de datos para objetivos activos y cámaras de proyección de tiempo que se están empleando en muchos otros experimentos en todo el mundo.