Kernphysiker haben in Experimenten, die am Thomas Jefferson National Accelerator Center durchgeführt und gerade in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, eine neue, hochpräzise Messung der Dicke der Neutronenhaut durchgeführt, die den Bleikern umfasst. Das Ergebnis, das eine Neutronenschalendicke von 0,28 ppm eines Nanometers zeigte, ist wichtig für die Struktur und Größe von Neutronensternen.
Die Protonen und Neutronen, die den Kern im Herzen jedes Atoms im Universum bilden, helfen dabei, die Identität und Eigenschaften jedes Atoms zu bestimmen. Kernphysiker untersuchen verschiedene Kerne, um mehr darüber zu erfahren, wie Protonen und Neutronen im Kern funktionieren. Eine gemeinsame Arbeit am Experiment mit dem Bleiradius, PREx (für den chemischen Namen Blei, Pb) genannt, untersucht die subtilen Details der Verteilung von Protonen und Neutronen in Bleikern.
Die Frage ist, wo sind die Neutronen in Blei? Blei ist ein schwerer Kern, es hat zusätzliche Neutronen, aber wenn es um die Kernstärke geht, funktioniert eine gleiche Kombination von Protonen und Neutronen besser, sagt Kent Paschke, Professor an der Universität von Virginia und Mitautor des Experiments.
Lichtkerne, die nur wenige Protonen haben, enthalten normalerweise die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen. Wenn Kerne schwerer werden, benötigen sie mehr Neutronen als Protonen, um stabil zu bleiben.
Alle stabilen Kerne mit mehr als 20 Protonen haben mehr Neutronen als Protonen. Zum Beispiel enthält Blei 82 Protonen und 126 Neutronen. Die Messung der Verteilung dieser zusätzlichen Neutronen im Kern ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis, wie schwere Kerne zusammenkommen.
Die Protonen im Bleikern befinden sich in einer Kugel, und wir haben festgestellt, dass sich Neutronen in einer größeren Kugel um sie herum befinden, und wir nennen dies die Neutronenhülle, sagen die Wissenschaftler.
Das Ergebnis des PREx-Experiments, das 2012 in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, lieferte die erste experimentelle Beobachtung dieser Neutronenhülle unter Verwendung von Elektronenstreutechniken. Nach diesem Ergebnis begann die Zusammenarbeit, ihre Dicke in PREx-II genauer zu messen. Die Messung wurde im Sommer 2019 mit der CWEB Accelerator Installation durchgeführt Dieses Experiment maß wie das erste die durchschnittliche Größe des Bleikerns in Bezug auf seine Neutronen.
Neutronen sind schwer zu messen, da viele der empfindlichen Sonden, mit denen Physiker subatomare Partikel messen, auf der Messung der elektrischen Ladung von Partikeln durch elektromagnetische Wechselwirkung beruhen, eine der vier Wechselwirkungen in der Natur. PREx verwendet eine andere fundamentale Kraft, die schwache Kernkraft, um die Verteilung von Neutronen zu untersuchen.
Protonen sind elektrisch geladen und können mit elektromagnetischer Kraft abgebildet werden. Neutronen haben keine elektrische Ladung, aber im Vergleich zu Protonen haben sie eine große schwache Ladung. Wenn Sie also die schwache Wechselwirkung nutzen, können Sie herausfinden, wo sich die Neutronen befinden “, erklärte Kent Paschke.
Während des Experiments wurde ein präzise gesteuerter Elektronenstrahl auf eine dünne Schicht aus kryogen gekühltem Blei gerichtet. Diese Elektronen drehten sich in Bewegungsrichtung.
Die Elektronen im Strahl wechselwirkten mit den Protonen oder Neutronen des Leitziels entweder durch elektromagnetische oder schwache Wechselwirkungen. Während die elektromagnetische Wechselwirkung spiegelsymmetrisch ist, ist dies bei der schwachen Wechselwirkung nicht der Fall. Dies bedeutet, dass Elektronen, die über Elektromagnetismus wechselwirken, dies unabhängig von der Richtung des Elektronenspins taten, während Elektronen, die über schwache Wechselwirkungen wechselwirken, dies vorzugsweise häufiger taten, wenn der Spin in einer Richtung im Vergleich zur anderen war.
Anhand dieser Asymmetrie bei der Streuung können wir die Stärke der Wechselwirkung bestimmen. Dies gibt Aufschluss über die Größe des von Neutronen eingenommenen Volumens. Er sagt uns, wo Neutronen mit Protonen verglichen werden. sagte Krishna Kumar, Co-Autor des Experiments und Professor an der University of Massachusetts.
Für erfolgreiche Messungen war ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich. Während des gesamten Experiments wurde der Spin des Elektronenstrahls 240 Mal pro Sekunde von einer Richtung in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet, und dann flogen die Elektronen fast anderthalb Kilometer durch den CEBAF-Beschleuniger, bevor sie genau auf das Ziel platziert wurden.
Im Durchschnitt wussten wir während des gesamten Laufs, wo die rechten und linken Strahlen innerhalb einer Breite von 10 Atomen relativ zueinander sind, sagen Physiker.
Die Elektronen, die von den Bleikernen gestreut wurden und diese intakt ließen, wurden gesammelt und analysiert. Die PREx-II-Kollaboration kombinierte es dann mit einem früheren Ergebnis von 2012 und genauen Messungen des Radius des Bleikernprotones, der oft als Ladungsradius bezeichnet wird.
Der Ladungsradius beträgt ca. 5,5 Femtometer. Und die Neutronenverteilung ist etwas größer als diese - ungefähr 5,8 Femtometer, also beträgt die Neutronenhüllkurve ungefähr 0,28 Femtometer. 28 Millionstel Nanometer.
2021-04-29 19:54:11
Autor: Vitalii Babkin