La impresión de un artista muestra dos orbes translúcidos, que representan núcleos de estaño, chocando y rompiendo en una lluvia de fragmentos de colores. En medio de estos fragmentos que representan protones, neutrones y sus cúmulos, es un solo pion, se muestra como otra esfera translúcida con dos esferas más pequeñas, representando quarks, dentro. Crédito:Erin O'Donnell / Instalación para haces de isótopos raros
Imagínese tomando toda el agua del lago Michigan (más de un billón de galones) y exprimiéndola en un balde de 4 galones, del tipo que encontrarías en una ferretería.
Una revisión rápida de los números sugiere que esto debería ser imposible:son demasiadas cosas y no hay suficiente espacio. Pero esta densidad extravagante es una característica definitoria de los objetos celestes conocidos como estrellas de neutrones. Estas estrellas tienen solo unas 15 millas de ancho, sin embargo, tienen más masa que nuestro sol gracias a una física extrema.
Dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Michigan, una colaboración internacional ahora ha emulado las condiciones cósmicas de una estrella de neutrones en la Tierra para sondear mejor esa ciencia extrema. El equipo compartió sus resultados en la revista. Cartas de revisión física .
Para el experimento, el equipo seleccionó estaño para ayudar a crear una sopa nuclear densa que es rica en neutrones, ayudándolo a imitar el entorno de las estrellas de neutrones más de cerca. El equipo aceleró un rayo hecho de núcleos de estaño a casi dos tercios de la velocidad de la luz en el Centro RIKEN Nishina de Japón para la ciencia basada en aceleradores. La investigación fue financiada por la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. o DOE-SC, y el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y tecnología:Japón, o MEXT, Japón.
Los investigadores enviaron ese rayo a través de un delgado objetivo de estaño, o papel de aluminio, para aplastar los núcleos de estaño. Los núcleos se rompen y, por sólo un instante, una mil millonésima parte de una billonésima de segundo, los restos existen como una región superdensa de bloques de construcción nucleares llamados protones y neutrones. Aunque este entorno es fugaz, vive lo suficiente para crear partículas raras llamadas piones (que se pronuncia "pie-ons"; el "pi" proviene de la letra griega π).
Al crear y detectar estos piones, el equipo está permitiendo a los científicos responder mejor a las preguntas persistentes sobre la ciencia nuclear y las estrellas de neutrones. Por ejemplo, Este trabajo puede ayudar a los científicos a caracterizar mejor la presión interna que evita que las estrellas de neutrones colapsen bajo su propia gravedad y se conviertan en agujeros negros.
"El experimento que hemos realizado no se puede realizar en otro lugar, excepto dentro de las estrellas de neutrones, "dijo Betty Tsang, profesor de ciencia nuclear e investigador del Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, o NSCL, en MSU.
Desafortunadamente, los científicos no pueden instalarse dentro de las estrellas de neutrones. Aparte de las abrumadoras temperaturas y las aplastantes fuerzas gravitacionales, la estrella de neutrones más cercana está a unos 400 años luz de distancia.
Hay, sin embargo, otro lugar en el universo donde los científicos pueden observar la materia empaquetada a una densidad tan increíble. Eso es en los laboratorios de aceleradores de partículas, donde los científicos pueden aplastar los núcleos de los átomos, o núcleos, para exprimir grandes cantidades de materia nuclear en volúmenes muy pequeños.
Por supuesto, esto tampoco es un juego de niños.
"El experimento es muy difícil, "Tsang dijo." Es por eso que el equipo está tan emocionado con esto ". Tsang y William Lynch, profesor de física nuclear en el Departamento de Física y Astronomía de MSU, liderar el contingente espartano de investigadores en el equipo internacional.
Para realizar sus objetivos colectivos en este estudio, cada uno de los institutos colaboradores aprovechó sus puntos fuertes.
"Por eso acumulamos colaboradores, ", Dijo Tsang." Resolvemos problemas ampliando el grupo e invitando a personas que realmente saben lo que están haciendo ".
MSU, que alberga el programa de posgrado en física nuclear mejor clasificado de los Estados Unidos, tomó la iniciativa en la construcción del detector de piones. El instrumento, llamada cámara de proyección de tiempo SπRIT, fue construido con colaboradores de Texas A&M University y RIKEN.
El acelerador de partículas de RIKEN ofreció la potencia y los raros núcleos de estaño ricos en neutrones necesarios para crear un entorno que recuerda a una estrella de neutrones. Investigadores de la Universidad Técnica, Darmstadt, en Alemania contribuyó con los objetivos de estaño que tenían que cumplir con especificaciones exigentes. Estudiantes, personal, y profesores de otras instituciones de Asia y Europa ayudaron a construir el experimento y analizar los datos.
Este experimento en el acelerador de RIKEN ayudó a llevar esa comprensión a nuevas alturas en términos de energía y densidad. pero hay muchos más desafíos.
Cuando la instalación para haces de isótopos raros, o FRIB, está operativo en 2022, también promete ser un centro de colaboración internacional en ciencia nuclear. Y la instalación estará equipada de manera única para continuar explorando cómo se comportan los sistemas nucleares a energías y densidades extremas.
"Cuando FRIB se conecta, nos dará más opciones de haces y nos permitirá realizar mediciones mucho más precisas, ", Dijo Tsang." Y eso nos permitirá comprender mejor el interior de las estrellas de neutrones y descubrir cosas que son aún más intrigantes ". más sorprendente ".
