I fisici nucleari hanno creato un nuovo, misurazione estremamente accurata dello spessore della "pelle" di neutroni che racchiude il nucleo di piombo in esperimenti condotti presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e appena pubblicati su Lettere di revisione fisica . Il risultato, che ha rivelato uno spessore della pelle di neutroni di 0,28 milionesimi di nanometro, ha importanti implicazioni per la struttura e le dimensioni delle stelle di neutroni.

I protoni ei neutroni che formano il nucleo nel cuore di ogni atomo dell'universo aiutano a determinare l'identità e le proprietà di ciascun atomo. I fisici nucleari stanno studiando diversi nuclei per saperne di più su come questi protoni e neutroni agiscono all'interno del nucleo. La collaborazione dell'esperimento Lead Radius, chiamato PREx (dopo il simbolo chimico del piombo, pb), sta studiando i dettagli fini di come protoni e neutroni sono distribuiti nei nuclei di piombo.

"La domanda riguarda dove sono i neutroni nel piombo. Il piombo è un nucleo pesante:ci sono neutroni extra, ma per quanto riguarda la forza nucleare, un mix uguale di protoni e neutroni funziona meglio, " disse Kent Paschke, professore all'Università della Virginia e co-portavoce dell'esperimento.

Paschke ha spiegato che i nuclei leggeri, quelli con pochi protoni, in genere hanno un numero uguale di protoni e neutroni all'interno. Man mano che i nuclei diventano più pesanti, hanno bisogno di più neutroni che protoni per rimanere stabili. Tutti i nuclei stabili che hanno più di 20 protoni hanno più neutroni che protoni. Ad esempio, il piombo ha 82 protoni e 126 neutroni. Misurare il modo in cui questi neutroni in più sono distribuiti all'interno del nucleo è un input chiave per capire come vengono messi insieme i nuclei pesanti.

"I protoni in un nucleo di piombo sono in una sfera, e abbiamo scoperto che i neutroni sono in una sfera più grande intorno a loro, e la chiamiamo pelle di neutroni, ", ha detto Paschke.

Il risultato dell'esperimento PREx, pubblicato in Lettere di revisione fisica nel 2012, ha fornito la prima osservazione sperimentale di questa pelle di neutroni utilizzando tecniche di diffusione di elettroni. A seguito di tale risultato, la collaborazione si proponeva di effettuare una misurazione più precisa del suo spessore in PREx-II. La misurazione è stata effettuata nell'estate del 2019 utilizzando il Continuous Electron Beam Accelerator Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Questo esperimento, come il primo, misurato la dimensione media del nucleo di piombo in termini di suoi neutroni.

I neutroni sono difficili da misurare, perché molte delle sonde sensibili che i fisici usano per misurare le particelle subatomiche si basano sulla misurazione della carica elettrica delle particelle attraverso l'interazione elettromagnetica, una delle quattro interazioni in natura. PREx utilizza una forza fondamentale diversa, la debole forza nucleare, studiare la distribuzione dei neutroni.

"I protoni hanno una carica elettrica e possono essere mappati usando la forza elettromagnetica. I neutroni non hanno carica elettrica, ma rispetto ai protoni hanno una grande carica debole, e quindi se usi l'interazione debole, puoi capire dove sono i neutroni", ha spiegato Paschke.

Nell'esperimento, un fascio di elettroni controllato con precisione è stato inviato a schiantarsi contro un sottile foglio di piombo raffreddato criogenicamente. Questi elettroni ruotavano nella loro direzione di movimento, come una spirale su un pass da calcio.

Gli elettroni nel raggio hanno interagito con i protoni oi neutroni del bersaglio principale tramite l'interazione elettromagnetica o debole. Mentre l'interazione elettromagnetica è simmetrica allo specchio, l'interazione debole non lo è. Ciò significa che gli elettroni che hanno interagito tramite l'elettromagnetismo lo hanno fatto indipendentemente dalla direzione di rotazione degli elettroni, mentre gli elettroni che hanno interagito tramite l'interazione debole lo hanno fatto preferenzialmente più spesso quando lo spin era in una direzione rispetto all'altra.

"Utilizzando questa asimmetria nella dispersione, possiamo identificare la forza dell'interazione, e questo ci dice la dimensione del volume occupato dai neutroni. Ci dice dove vengono confrontati i neutroni con i protoni." ha detto Krishna Kumar, un co-portavoce dell'esperimento e professore presso l'Università del Massachusetts Amherst.

La misurazione richiedeva un alto grado di precisione per essere eseguita con successo. Durante tutta la corsa sperimentale, lo spin del fascio di elettroni è stato capovolto da una direzione all'altra 240 volte al secondo, e poi gli elettroni hanno percorso quasi un miglio attraverso l'acceleratore CEBAF prima di essere posizionati con precisione sul bersaglio.

"In media durante l'intera corsa, sapevamo dove erano le travi di destra e di sinistra, l'uno rispetto all'altro, entro una larghezza di 10 atomi, " disse Kumar.

Gli elettroni che si erano dispersi dai nuclei di piombo lasciandoli intatti sono stati raccolti e analizzati. Quindi, la collaborazione PREx-II lo ha combinato con il precedente risultato del 2012 e misurazioni di precisione del raggio del protone del nucleo di piombo, che viene spesso chiamato raggio di carica.

"Il raggio di carica è di circa 5,5 femtometri. E la distribuzione dei neutroni è un po' più grande, circa 5,8 femtometri, quindi la pelle di neutroni è 0,28 femtometri, o circa 0,28 milionesimi di nanometro, "Ha detto Paske.

I ricercatori hanno affermato che questa cifra è più spessa di quanto suggerito da alcune teorie, che ha implicazioni per i processi fisici nelle stelle di neutroni e le loro dimensioni.

"Questa è l'osservazione più diretta della pelle di neutroni. Stiamo trovando quella che chiamiamo una rigida equazione di stato:una pressione più alta del previsto, quindi è difficile spremere questi neutroni nel nucleo. E così, stiamo scoprendo che la densità all'interno del nucleo è leggermente inferiore a quanto previsto, ", ha detto Paschke.

"Dobbiamo conoscere il contenuto della stella di neutroni e l'equazione di stato, e poi possiamo prevedere le proprietà di queste stelle di neutroni, " disse Kumar. "Allora, ciò che stiamo contribuendo al campo con questa misurazione del nucleo di piombo consente di estrapolare meglio le proprietà delle stelle di neutroni".

L'equazione di stato inaspettatamente rigida implicata dal risultato PREx ha profonde connessioni con le recenti osservazioni di stelle di neutroni in collisione fatte dal premio Nobel Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o LIGO, sperimentare. LIGO è un osservatorio di fisica su larga scala progettato per rilevare le onde gravitazionali.

"Quando le stelle di neutroni iniziano a girare a spirale l'una intorno all'altra, emettono onde gravitazionali che vengono rilevate da LIGO. E mentre si avvicinano nell'ultima frazione di secondo, l'attrazione gravitazionale di una stella di neutroni trasforma l'altra stella di neutroni in una lacrima:in realtà diventa oblunga come un pallone da football americano. Se la pelle di neutroni è più grande, allora significa una certa forma per il calcio, e se la pelle di neutroni fosse più piccola, significa una forma diversa per il calcio. E la forma del pallone è misurata da LIGO, " ha detto Kumar. "L'esperimento LIGO e l'esperimento PREx hanno fatto cose molto diverse, ma sono collegati da questa equazione fondamentale:l'equazione di stato della materia nucleare".