Les physiciens nucléaires ont réalisé une nouvelle mesure de haute précision de l'épaisseur de la peau neutronique qui englobe le noyau de plomb dans des expériences menées au Thomas Jefferson National Accelerator Center et qui viennent d'être publiées dans Physical Review Letters. Le résultat, qui a montré une épaisseur de coquille neutronique de 0,28 ppm d'un nanomètre, est important pour la structure et la taille des étoiles à neutrons.
Les protons et neutrons qui forment le noyau au cœur de chaque atome de l'univers aident à déterminer l'identité et les propriétés de chaque atome. Les physiciens nucléaires étudient divers noyaux pour en savoir plus sur le fonctionnement des protons et des neutrons à l'intérieur du noyau. Un effort de collaboration sur l'expérience du rayon de plomb, baptisé PREx (pour le nom chimique du plomb, Pb), explore les détails subtils de la distribution des protons et des neutrons dans les noyaux de plomb.
La question est: où sont les neutrons en plomb? Le plomb est un noyau lourd, il contient des neutrons supplémentaires, mais en ce qui concerne la force nucléaire, une combinaison égale de protons et de neutrons fonctionne mieux, déclare Kent Paschke, professeur à l'Université de Virginie et co-auteur de l'expérience.
Les noyaux légers, qui n'ont que quelques protons, ont généralement le même nombre de protons et de neutrons à l'intérieur. À mesure que les noyaux deviennent plus lourds, ils ont besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables.
Tous les noyaux stables avec plus de 20 protons ont plus de neutrons que de protons. Par exemple, le plomb contient 82 protons et 126 neutrons. Mesurer la façon dont ces neutrons supplémentaires sont distribués à l'intérieur du noyau est une contribution essentielle pour comprendre comment les noyaux lourds se rassemblent.
Les protons dans le noyau de plomb sont dans une sphère, et nous avons constaté que les neutrons sont dans une plus grande sphère autour d'eux, et nous appelons cela la coquille de neutrons, disent les scientifiques.
Le résultat de l'expérience PREx, publié dans Physical Review Letters en 2012, a fourni la première observation expérimentale de cette coquille neutronique à l'aide de techniques de diffusion d'électrons. Suite à ce résultat, la collaboration a commencé à mesurer plus précisément son épaisseur dans PREx-II. La mesure a été réalisée à l'été 2019 à l'aide de l'installation d'accélérateur CWEB Cette expérience, comme la première, mesurait la taille moyenne du noyau de plomb en fonction de ses neutrons.
Les neutrons sont difficiles à mesurer car bon nombre des sondes sensibles que les physiciens utilisent pour mesurer les particules subatomiques reposent sur la mesure de la charge électrique des particules par interaction électromagnétique, l'une des quatre interactions de la nature. PREx utilise une autre force fondamentale, la force nucléaire faible, pour étudier la distribution des neutrons.
Les protons ont une charge électrique et peuvent être cartographiés à l'aide de la force électromagnétique. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, mais comparés aux protons, ils ont une forte charge faible, et donc si vous utilisez l'interaction faible, vous pouvez déterminer où se trouvent les neutrons », a expliqué Kent Paschke.
Au cours de l'expérience, un faisceau d'électrons contrôlé avec précision a été dirigé sur une fine feuille de plomb refroidi cryogéniquement. Ces électrons tournaient dans la direction de leur mouvement.
Les électrons du faisceau ont interagi avec les protons ou neutrons de la cible principale, soit par des interactions électromagnétiques ou faibles. Alors que l'interaction électromagnétique est symétrique au miroir, l'interaction faible ne l'est pas. Cela signifie que les électrons interagissant via l'électromagnétisme l'ont fait quelle que soit la direction du spin de l'électron, tandis que les électrons interagissant via une interaction faible le faisaient de préférence plus souvent lorsque le spin était dans une direction par rapport à l'autre.
En utilisant cette asymétrie de diffusion, nous pouvons déterminer la force de l'interaction, ce qui nous renseigne sur la taille du volume occupé par les neutrons. Il nous dit où les neutrons se comparent aux protons. a déclaré Krishna Kumar, co-auteur de l'expérience et professeur à l'Université du Massachusetts.
Un degré élevé de précision était nécessaire pour des mesures réussies. Tout au long de l'expérience, le spin du faisceau d'électrons a été commuté d'une direction à l'autre 240 fois par seconde, puis les électrons ont volé près d'un kilomètre et demi à travers l'accélérateur CEBAF avant d'être précisément placés sur la cible.
En moyenne, pour l'ensemble de la course, nous savions où se trouvent les rayons droit et gauche l'un par rapport à l'autre dans une largeur de 10 atomes, disent les physiciens.
Les électrons qui se sont dispersés à partir des noyaux de plomb, les laissant intacts, ont été collectés et analysés. La collaboration PREx-II l'a ensuite combiné avec un précédent résultat de 2012 et des mesures précises du rayon du proton du noyau principal, souvent appelé son rayon de charge.
Le rayon de charge est d'environ 5,5 femtomètres. Et la distribution des neutrons est légèrement plus grande que cela - environ 5,8 femtomètres, donc l'enveloppe neutronique est de 0,28 femtomètres environ. 28 millionièmes de nanomètre.
2021-04-29 19:54:11
Auteur: Vitalii Babkin