Los físicos nucleares han creado un nuevo medición de alta precisión del grosor de la "piel" de neutrones que abarca el núcleo principal en experimentos realizados en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. y recién publicados en Cartas de revisión física . El resultado, que reveló un espesor de piel de neutrones de 0,28 millonésimas de nanómetro, tiene importantes implicaciones para la estructura y el tamaño de las estrellas de neutrones.

Los protones y neutrones que forman el núcleo en el corazón de cada átomo del universo ayudan a determinar la identidad y las propiedades de cada átomo. Los físicos nucleares están estudiando diferentes núcleos para aprender más sobre cómo actúan estos protones y neutrones dentro del núcleo. La colaboración de Lead Radius Experiment, llamado PREx (después del símbolo químico del plomo, Pb), está estudiando los detalles finos de cómo se distribuyen los protones y neutrones en los núcleos de plomo.

"La pregunta es dónde están los neutrones en el plomo. El plomo es un núcleo pesado:hay neutrones adicionales, pero en lo que respecta a la fuerza nuclear, una mezcla igual de protones y neutrones funciona mejor, "dijo Kent Paschke, profesor de la Universidad de Virginia y co-portavoz del experimento.

Paschke explicó que los núcleos ligeros, aquellos con solo unos pocos protones, normalmente tienen el mismo número de protones y neutrones en su interior. A medida que los núcleos se vuelven más pesados, necesitan más neutrones que protones para mantenerse estables. Todos los núcleos estables que tienen más de 20 protones tienen más neutrones que protones. Por ejemplo, el plomo tiene 82 protones y 126 neutrones. Medir cómo se distribuyen estos neutrones adicionales dentro del núcleo es una entrada clave para comprender cómo se unen los núcleos pesados.

"Los protones en un núcleo de plomo están en una esfera, y hemos descubierto que los neutrones están en una esfera más grande a su alrededor, y lo llamamos piel de neutrones, "dijo Paschke.

El resultado del experimento PREx, publicado en Cartas de revisión física en 2012, proporcionó la primera observación experimental de esta piel de neutrones utilizando técnicas de dispersión de electrones. Siguiendo ese resultado, la colaboración se propuso realizar una medición más precisa de su espesor en PREx-II. La medición se llevó a cabo en el verano de 2019 utilizando la Instalación de Acelerador de Haz de Electrones Continuos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Este experimento, como el primero, midió el tamaño medio del núcleo de plomo en términos de sus neutrones.

Los neutrones son difíciles de medir, porque muchas de las sondas sensibles que los físicos utilizan para medir partículas subatómicas se basan en medir la carga eléctrica de las partículas a través de la interacción electromagnética, una de las cuatro interacciones en la naturaleza. PREx hace uso de una fuerza fundamental diferente, la fuerza nuclear débil, estudiar la distribución de neutrones.

"Los protones tienen carga eléctrica y pueden mapearse utilizando la fuerza electromagnética. Los neutrones no tienen carga eléctrica, pero en comparación con los protones, tienen una gran carga débil, y si usa la interacción débil, puedes averiguar dónde están los neutrones ", explicó Paschke.

En el experimento, un rayo de electrones controlado con precisión fue enviado a estrellarse contra una delgada hoja de plomo enfriado criogénicamente. Estos electrones giraban en su dirección de movimiento, como una espiral en un pase de fútbol.

Los electrones en el haz interactuaron con los protones o neutrones del objetivo principal, ya sea a través de la interacción electromagnética o débil. Si bien la interacción electromagnética es simétrica al espejo, la interacción débil no lo es. Eso significa que los electrones que interactuaron a través del electromagnetismo lo hicieron independientemente de la dirección de giro de los electrones, mientras que los electrones que interactuaron a través de la interacción débil lo hicieron preferentemente con mayor frecuencia cuando el giro estaba en una dirección frente a la otra.

"Usando esta asimetría en la dispersión, podemos identificar la fuerza de la interacción, y eso nos dice el tamaño del volumen ocupado por neutrones. Nos dice dónde se comparan los neutrones con los protones ", dijo Krishna Kumar, un co-portavoz del experimento y profesor en la Universidad de Massachusetts Amherst.

La medición requirió un alto grado de precisión para llevarse a cabo con éxito. A lo largo de la ejecución experimental, el giro del haz de electrones se invirtió de una dirección a su opuesta 240 veces por segundo, y luego los electrones viajaron casi una milla a través del acelerador CEBAF antes de ser colocados con precisión en el objetivo.

"En promedio durante toda la ejecución, sabíamos dónde estaban las vigas derecha e izquierda, en relación con los demás, dentro de un ancho de 10 átomos, "dijo Kumar.

Se recogieron y analizaron los electrones que se habían dispersado de los núcleos de plomo mientras los dejaban intactos. Luego, la colaboración PREx-II lo combinó con el resultado anterior de 2012 y las mediciones de precisión del radio de protones del núcleo principal, que a menudo se conoce como su radio de carga.

"El radio de carga es de aproximadamente 5,5 femtómetros. Y la distribución de neutrones es un poco mayor que eso, alrededor de 5,8 femtómetros, por lo que la piel de neutrones es 0,28 femtómetros, o alrededor de 0,28 millonésimas de nanómetro, "Dijo Paschke.

Los investigadores dijeron que esta cifra es más gruesa de lo que habían sugerido algunas teorías, lo que tiene implicaciones para los procesos físicos en las estrellas de neutrones y su tamaño.

"Esta es la observación más directa de la piel de los neutrones. Estamos encontrando lo que llamamos una ecuación de estado rígida:una presión superior a la esperada, por lo que es difícil introducir estos neutrones en el núcleo. Y así, estamos encontrando que la densidad dentro del núcleo es un poco más baja de lo esperado, "dijo Paschke.

"Necesitamos conocer el contenido de la estrella de neutrones y la ecuación de estado, y luego podemos predecir las propiedades de estas estrellas de neutrones, Kumar dijo. lo que estamos aportando al campo con esta medición del núcleo principal le permite extrapolar mejor las propiedades de las estrellas de neutrones ".

La ecuación de estado inesperadamente rígida implícita en el resultado de PREx tiene conexiones profundas con las observaciones recientes de estrellas de neutrones en colisión realizadas por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser, ganador del Premio Nobel, o LIGO, experimentar. LIGO es un observatorio de física a gran escala que fue diseñado para detectar ondas gravitacionales.

"A medida que las estrellas de neutrones comienzan a girar unas alrededor de otras, emiten ondas gravitacionales que son detectadas por LIGO. Y cuando se acercan en la última fracción de segundo, la atracción gravitacional de una estrella de neutrones convierte a la otra estrella de neutrones en una lágrima; en realidad, se vuelve oblonga como una pelota de fútbol americano. Si la piel de neutrones es más grande, entonces significa cierta forma para el fútbol, y si la piel de neutrones fuera más pequeña, significa una forma diferente para el fútbol. Y la forma del balón la mide LIGO, ", dijo Kumar." El experimento LIGO y el experimento PREx hicieron cosas muy diferentes, pero están conectados por esta ecuación fundamental:la ecuación de estado de la materia nuclear ".