Las estrellas de neutrones son las más pequeñas, las estrellas más densas del universo, nacido del colapso gravitacional de estrellas extremadamente masivas. Fiel a su nombre, Las estrellas de neutrones están compuestas casi en su totalidad por neutrones:partículas subatómicas neutras que se han comprimido en una pequeña y paquete celestial increíblemente denso.

Un nuevo estudio en Naturaleza , codirigido por investigadores del MIT, sugiere que algunas propiedades de las estrellas de neutrones pueden estar influenciadas no solo por su multitud de neutrones densamente empaquetados, pero también por una fracción sustancialmente más pequeña de protones, partículas cargadas positivamente que constituyen sólo el 5 por ciento de una estrella de neutrones.

En lugar de mirar las estrellas, los investigadores llegaron a su conclusión analizando los núcleos microscópicos de átomos en la Tierra.

El núcleo de un átomo está lleno de protones y neutrones, aunque no tan densamente como en las estrellas de neutrones. De vez en cuando, si están lo suficientemente cerca en la distancia, un protón y un neutrón se emparejarán y atravesarán el núcleo de un átomo con una energía inusualmente alta. Tales "correlaciones de corto alcance, "como se les conoce, puede contribuir significativamente al equilibrio energético y las propiedades generales de un núcleo atómico dado.

Los investigadores buscaron signos de pares de protones y neutrones en átomos de carbono, aluminio, planchar, y liderar, cada uno con una proporción progresivamente más alta de neutrones a protones. Ellos encontraron que a medida que aumentaba el número relativo de neutrones en un átomo, también lo hizo la probabilidad de que un protón formara un par energético. La probabilidad de que un neutrón se empareje, sin embargo, permaneció más o menos igual. Esta tendencia sugiere que, en objetos con alta densidad de neutrones, los protones minoritarios transportan una parte desproporcionadamente grande de la energía media.

"Creemos que cuando tienes un núcleo rico en neutrones, de media, los protones se mueven más rápido que los neutrones, así que en cierto sentido los protones llevan la acción, "dice el coautor del estudio Or Hen, profesor asistente de física en el MIT. "Solo podemos imaginar lo que podría suceder en objetos aún más densos en neutrones como las estrellas de neutrones. Aunque los protones son la minoría en la estrella, creemos que la minoría gobierna. Los protones parecen ser muy activos, y creemos que podrían determinar varias propiedades de la estrella ".

Explorando datos

Hen y sus colegas basaron su estudio en los datos recopilados por CLAS:el espectrómetro de gran aceptación CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), un acelerador y detector de partículas con base en el Laboratorio Jefferson en Virginia. CLAS, que operó de 1998 a 2012, fue diseñado para detectar y registrar las múltiples partículas que se emiten cuando los haces de electrones inciden en objetivos atómicos.

"Tener esta propiedad de un detector que lo ve todo y también lo guarda todo para el análisis fuera de línea es extremadamente raro, "Dice Hen." Incluso ha mantenido lo que la gente consideraba 'ruido, 'y ahora estamos aprendiendo que el ruido de una persona es la señal de otra persona ".

El equipo eligió extraer los datos archivados de CLAF en busca de signos de correlaciones de corto alcance, interacciones que el detector no necesariamente debía producir. pero que capturó no obstante.

"La gente usaba el detector para observar interacciones específicas, pero mientras tanto, también midió en paralelo un montón de otras reacciones que tuvieron lugar, "dice el colaborador Larry Weinstein, profesor de física en la Universidad Old Dominion. "Así que pensamos, "Profundicemos en estos datos y veamos si hay algo interesante allí". Queremos sacar toda la ciencia que podamos de los experimentos que ya se han realizado ".

Una tarjeta de baile completa

El equipo eligió extraer datos CLAS recopilados en 2004, durante un experimento en el que el detector apuntó haces de electrones al carbono, aluminio, planchar, y átomos de plomo, con el objetivo de observar cómo las partículas producidas en interacciones nucleares viajan a través del volumen respectivamente mayor de cada átomo. Junto con sus diferentes tamaños, cada uno de los cuatro tipos de átomos tiene diferentes proporciones de neutrones a protones en sus núcleos, el carbono tiene la menor cantidad de neutrones y el plomo la mayor cantidad.

El nuevo análisis de los datos fue realizado por el estudiante graduado Meytal Duer de la Universidad de Tel Aviv en colaboración con el MIT y la Universidad Old Dominion. y fue dirigido por Hen. El estudio general fue realizado por un consorcio internacional llamado CLAS Collaboration, integrado por 182 miembros de 42 instituciones de 9 países.

El grupo estudió los datos en busca de signos de protones y neutrones de alta energía, indicaciones de que las partículas se habían emparejado, y si la probabilidad de este emparejamiento cambiaba a medida que aumentaba la proporción de neutrones a protones.

"Queríamos partir de un núcleo simétrico y ver, a medida que agregamos más neutrones, como evolucionan las cosas, ", Dice Hen." Nunca llegaríamos a las simetrías de las estrellas de neutrones aquí en la Tierra, pero al menos pudimos ver alguna tendencia y entender a partir de eso, lo que podría estar pasando en la estrella ".

En el final, el equipo observó que a medida que aumentaba el número de neutrones en el núcleo de un átomo, la probabilidad de que los protones tengan altas energías (y se hayan emparejado con un neutrón) también aumentó significativamente, mientras que la misma probabilidad para los neutrones se mantuvo igual.

"La analogía que nos gusta dar es que es como ir a una fiesta de baile, "Hen dice, invocando un escenario en el que los niños que podrían formar pareja con las niñas en la pista de baile son superados en número. "Lo que pasaría es, el chico promedio ... bailaría mucho más, así que a pesar de que eran una minoría en el partido, los chicos, como los protones, sería extremadamente activo ".

Hen dice que esta tendencia de los protones energéticos en los átomos ricos en neutrones puede extenderse a objetos aún más densos en neutrones, como las estrellas de neutrones. El papel de los protones en estos objetos extremos puede ser más significativo de lo que la gente sospechaba anteriormente. Esta revelación Hen dice, puede alterar la comprensión de los científicos sobre cómo se comportan las estrellas de neutrones. Por ejemplo, ya que los protones pueden transportar sustancialmente más energía de lo que se pensaba anteriormente, pueden contribuir a las propiedades de una estrella de neutrones como su rigidez, su relación de masa a tamaño, y su proceso de enfriamiento.

"Todas estas propiedades afectan la forma en que dos estrellas de neutrones se fusionan, que creemos que es uno de los principales procesos del universo que crean núcleos más pesados ​​que el hierro, como el oro, "Dice Hen." Ahora que sabemos que la pequeña fracción de protones en la estrella está altamente correlacionada, tendremos que repensar cómo se comportan [las estrellas de neutrones] ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.