高度准确的测量显示中子星“皮肤”小于百万分之一的纳米厚度

X射线爆裂磁场

一个强大的X射线爆炸的例证从磁石爆发 - 一个超级磁化的版本称为中子恒星。信用:美国宇航局的戈达德太空飞行中心/克里斯史密斯(乌苏尔州)

核物理学家为包含引线核的中子层进行了新的,高精度测量,揭示了关于中子恒星的新信息。

核物理学家已经进行了新的,高度准确地测量中子“皮肤”的厚度,它包括在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速设施和刚刚发表的实验中进行的铅核的铅核物理评论信。结果显示出中子皮肤厚度为0.28百万分钟的纳米,对中子恒星的结构和尺寸具有重要意义。

在每一个心脏形成核的质子和中子原子在Universe中,帮助确定每个Atom的身份和属性。核物理学家正在研究不同的细胞核,了解更多关于这些质子和中子在细胞核内起作用的更多信息。称为PREX的引线半径实验合作(在铅,PB的化学符号之后)正在研究质子和中子如何在铅核中分布的细节。

“问题是中子在哪里领先。铅是一个重核 - 还有额外的中子,但就核心而言,质子和中子的平等混合效果更好,“弗吉尼亚大学教授肯特帕斯查克说,”实验同政。

杰斐逊实验室的实验大厅

Jefferson Lab的实验厅A是实验室连续电子束加速器设施的四个核物理研究领域之一。信用:DOE'S JEFFERSON LAB

Paschke解释了轻质核,只有几个质子,通常具有相同数量的质子和中子。由于核越来越重,它们需要比质子更稳定的中子保持稳定。所有具有超过20个质子的稳定核具有比质子更高的中子。例如,铅具有82个质子和126个中子。测量这些额外的中子分布在核内部是关键输入,以了解核心如何放在一起。

“铅核中的质子在一个球体中,我们发现中子在它们周围的较大球体中,我们称之为中子皮肤,”帕希克说。

PREX实验结果,发表在物理评论信2012年,提供了使用电子散射技术的第一次实验观察该中子皮肤。在此结果之后,协作所示的设定为在PREX-II中更精确地测量其厚度。测量是在2019年夏季进行的,使用CONSORM ELECTRON ELECTRON ACCELERATOR设施,SOP用户设施。该实验如第一个实验,在其中子方面测量了引线核的平均大小。

中子难以衡量,因为许多敏感探针认为物理学家用于测量亚杀菌颗粒的依赖于通过电磁相互作用测量粒子的电荷,其四种相互作用中的一种。PREX利用不同的基本力量,弱势核力,研究中子的分布。

“质子具有电荷,可以使用电磁力映射。中子没有电荷,但与质子相比,它们具有大的弱电荷,因此如果使用弱互动,则可以弄清楚中子的位置,“Paschke解释说。

在实验中,将精确地控制的电子束撞入薄薄的低温冷却引线。这些电子在其运动方向上旋转,就像足球通过的螺旋一样。

光束中的电子通过电磁或弱相互作用与引线目标的质子或中子相互作用。虽然电磁相互作用是镜面对称的,但弱相互作用不是。这意味着通过电磁体相互作用的电子是如此,无论电子的旋转方向如何,而通过弱相互作用相互作用的电子更频繁地在旋转与另一个方向上更优先这样做。

“在散射中使用这种不对称,我们可以识别相互作用的强度,并告诉我们中子占据的体积的大小。它告诉我们中子与质子相比的地方。“Krishna Kumar表示,马萨诸塞大学Amherst的实验Co-Shokessonson和教授。

测量需要高度精确度以成功进行。在整个实验运行中,电子束旋转从一个方向从一个方向翻转到每秒240次相反,然后在精确地放置在目标上之前,电子通过CEBAF加速器近一英里。

“平均在整个运行中,我们知道右手梁和左手梁相对于彼此在10个原子的宽度中,”Kumar说。

收集并分析已经散射了铅核的电子散射,并分析。然后,PREX-II协作将其与前一个2012的结果和铅核的质子半径的精确测量相结合,其通常被称为其电荷半径。

“电荷半径约为5.5剧仪。而中子分布比大约5.8艘剧表仪,所以中子皮肤是.28颌骨,或约2.28百万分钟的纳米,“帕希克说。

研究人员表示,这个数字比建议的一些理论厚,这对中子恒星和尺寸的物理过程具有影响。

“这是对中子皮肤最直接的观察。我们正在寻找我们所谓的状态的刚性方程 - 高于预期的压力,使得难以将这些中子挤入核中。因此,我们发现核内部的密度比预期低一点,“Paschke说。

“我们需要了解的内容中子星和状态的等式,然后我们可以预测这些中子恒星的性质,“Kumar说。“那么,通过这种铅核的测量,我们为该领域做出的贡献,使您能够更好地推断到中子恒星的性质。”

PREX结果所暗示的意外僵硬的状态具有深入的连接,最近由诺贝尔奖获奖激光干涉仪引力 - 波天文台或的碰撞中子恒星观察利奥, 实验。Ligo是一个旨在检测的大规模物理天文台引力波

“作为中子恒星开始彼此旋转,它们发出由Ligo检测的引力波。并且当他们在一秒钟的最后一部分接近时,一个中子星的引力拉动使另一个中子星变成泪珠 - 它实际上变得像美式足球一样长圆形。如果中子皮肤较大,那么这意味着足球的某种形状,如果中子皮肤较小,则表示足球的不同形状。康马尔说,足球的形状是由利戈衡量的。“Kumar说。“Ligo实验和Prex实验做了非常不同的事情,但它们通过这种基本方程式联系 - 核事务状况的等式。”

参考:“准确测定中子皮肤厚度的确定208.PB通过电子散射中的奇偶侵犯违规“D. Adhikari等。(PREX合作),2021年4月27日,物理评论信
DOI:10.1103 / physrevlett.126.172502

PREX-II实验合作包括13 ph.D.学生和七项博士后研究伙伴,以及来自大约30个机构的70多名其他科学家。

该工作得到了Doe的科学办公室,国家科学基金会,加拿大自然科学和工程研究委员会(NSERC)和意大利Istituto Nazionale di Fisica Unthere(Infn)。

是第一个评论“高度准确的测量显示中子星”皮肤“小于百万分之一的纳米厚度”

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