Un gruppo di ricerca, guidato da William Lynch e Betty Tsang presso la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), è concentrato sulla conoscenza dei neutroni in ambienti densi. Lynch, Tsang e i loro collaboratori hanno utilizzato 20 anni di dati sperimentali provenienti da acceleratori e osservazioni di stelle di neutroni per comprendere come le particelle interagiscono nella materia nucleare in un’ampia gamma di densità e pressioni. Il team voleva determinare in che modo il rapporto tra neutroni e protoni influenza le forze nucleari in un sistema. Il team ha recentemente pubblicato le sue scoperte su Nature Astronomy .

"Nella fisica nucleare, siamo spesso limitati a studiare piccoli sistemi, ma sappiamo esattamente quali sono le particelle nei nostri sistemi nucleari. Le stelle ci offrono un'incredibile opportunità, perché sono grandi sistemi in cui la fisica nucleare gioca un ruolo vitale, ma non lo sappiamo. sapere con certezza quali particelle si trovano al loro interno", ha affermato Lynch, professore di fisica nucleare al FRIB e al Dipartimento di Fisica e Astronomia della Michigan State University (MSU).

"Sono interessanti perché la densità varia notevolmente all'interno di sistemi così grandi. Le forze nucleari svolgono un ruolo dominante al loro interno, ma sappiamo relativamente poco di quel ruolo."

Quando una stella con una massa pari a 20-30 volte quella del Sole esaurisce il suo combustibile, si raffredda, collassa ed esplode in una supernova. Dopo questa esplosione, solo la materia presente nella parte più profonda dell'interno della stella si coalizza per formare una stella di neutroni. Questa stella di neutroni non ha combustibile da bruciare e col tempo irradia il suo calore rimanente nello spazio circostante.

Gli scienziati si aspettano che la materia nel nucleo esterno di una stella di neutroni fredda sia più o meno simile alla materia dei nuclei atomici ma con tre differenze:le stelle di neutroni sono molto più grandi, sono più dense al loro interno e una frazione maggiore dei loro nucleoni sono neutroni. Nel profondo del nucleo interno di una stella di neutroni, la composizione della materia della stella di neutroni rimane un mistero.

"Se gli esperimenti potessero fornire maggiori indicazioni sulle forze che agiscono al loro interno, potremmo fare previsioni migliori sulla loro composizione interna e sulle transizioni di fase al loro interno. Le stelle di neutroni rappresentano una grande opportunità di ricerca per combinare queste discipline", ha affermato Lynch.

Strutture di accelerazione come FRIB aiutano i fisici a studiare come le particelle subatomiche interagiscono in condizioni esotiche che sono più comuni nelle stelle di neutroni. Quando i ricercatori confrontano questi esperimenti con le osservazioni di stelle di neutroni, possono calcolare l'equazione di stato (EOS) delle particelle che interagiscono in ambienti densi e a bassa temperatura.

L'EOS descrive la materia in condizioni specifiche e come le sue proprietà cambiano con la densità. Risolvere l'EOS per un'ampia gamma di impostazioni aiuta i ricercatori a comprendere gli effetti della forza nucleare forte all'interno di oggetti densi, come le stelle di neutroni, nel cosmo. Ci aiuta anche a saperne di più sulle stelle di neutroni mentre si raffreddano.

"Questa è la prima volta che mettiamo insieme una tale ricchezza di dati sperimentali per spiegare l'equazione di stato in queste condizioni, e questo è importante", ha detto Tsang, professore di scienza nucleare al FRIB. "Sforzi precedenti hanno utilizzato la teoria per spiegare la parte a bassa densità e bassa energia della materia nucleare. Volevamo utilizzare tutti i dati che avevamo a disposizione dalle nostre precedenti esperienze con gli acceleratori per ottenere un'equazione di stato completa."

I ricercatori che cercano l’EOS spesso lo calcolano a temperature più elevate o densità più basse. Quindi traggono conclusioni per il sistema in una gamma più ampia di condizioni. Tuttavia, negli ultimi anni i fisici hanno capito che un'EOS ottenuta da un esperimento è rilevante solo per uno specifico intervallo di densità.

Di conseguenza, il team ha dovuto mettere insieme i dati di una serie di esperimenti con l’acceleratore che utilizzavano diverse misurazioni di nuclei in collisione per sostituire tali ipotesi con i dati. "In questo lavoro, abbiamo posto due domande", ha detto Lynch. "Per una determinata misurazione, quale densità rileva quella misurazione? Successivamente, abbiamo chiesto cosa ci dice quella misurazione sull'equazione di stato a quella densità."

Nel suo recente articolo, il team ha combinato i propri esperimenti provenienti da strutture di accelerazione negli Stati Uniti e in Giappone. Ha messo insieme dati provenienti da 12 diversi vincoli sperimentali e tre osservazioni di stelle di neutroni. I ricercatori si sono concentrati sulla determinazione dell'EOS per la materia nucleare che va da metà a tre volte la densità di saturazione dei nuclei, la densità che si trova nel nucleo di tutti i nuclei stabili. Producendo questo EOS completo, il team ha fornito nuovi parametri di riferimento per le più ampie comunità di fisica nucleare e astrofisica per modellare in modo più accurato le interazioni della materia nucleare.

Il team ha migliorato le sue misurazioni a densità intermedie che le osservazioni delle stelle di neutroni non forniscono attraverso esperimenti presso il GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Germania, il RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Giappone e il National Superconducting Cyclotron Laboratory (il predecessore del FRIB). ). Per consentire le misurazioni chiave discusse in questo articolo, i loro esperimenti hanno contribuito a finanziare i progressi tecnici nell'acquisizione dei dati per target attivi e camere di proiezione temporale che vengono impiegate in molti altri esperimenti in tutto il mondo.