I fisici nucleari hanno effettuato una nuova misurazione ad alta precisione dello spessore della pelle di neutroni che racchiude il nucleo di piombo in esperimenti condotti presso il Thomas Jefferson National Accelerator Center e appena pubblicati su Physical Review Letters. Il risultato, che ha mostrato uno spessore del guscio di neutroni di 0,28 ppm di un nanometro, è importante per la struttura e le dimensioni delle stelle di neutroni.
I protoni e neutroni che formano il nucleo nel cuore di ogni atomo nell'universo aiutano a determinare l'identità e le proprietà di ogni atomo. I fisici nucleari stanno studiando vari nuclei per saperne di più su come funzionano i protoni e i neutroni all'interno del nucleo. Uno sforzo collaborativo sull'esperimento del raggio di piombo, soprannominato PREx (per il nome chimico del piombo, Pb), sta esplorando i dettagli sottili della distribuzione di protoni e neutroni nei nuclei di piombo.
La domanda è: dove sono i neutroni in piombo? Il piombo è un nucleo pesante, ha neutroni extra, ma quando si tratta di forza nucleare, una combinazione uguale di protoni e neutroni funziona meglio, afferma Kent Paschke, professore presso l'Università della Virginia e coautore dell'esperimento.
I nuclei leggeri, che hanno solo pochi protoni, di solito hanno lo stesso numero 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 con più di 20 protoni hanno più neutroni dei protoni. Ad esempio, il piombo contiene 82 protoni e 126 neutroni. Misurare come questi neutroni extra sono distribuiti all'interno del nucleo è un contributo chiave per capire come i nuclei pesanti si uniscono.
I protoni nel nucleo di piombo sono in una sfera e abbiamo scoperto che i neutroni sono in una sfera più grande intorno a loro, e chiamiamo questo guscio di neutroni, dicono gli scienziati.
Il risultato dell'esperimento PREx, pubblicato su Physical Review Letters nel 2012, ha fornito la prima osservazione sperimentale di questo guscio di neutroni utilizzando tecniche di scattering di elettroni. A seguito di questo risultato, la collaborazione è iniziata per misurare più accuratamente il suo spessore in PREx-II. La misurazione è stata effettuata nell'estate del 2019 utilizzando l'installazione dell'acceleratore CWEB Questo esperimento, come il primo, ha misurato la dimensione media del nucleo di piombo in termini di 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 un'altra forza fondamentale, la forza nucleare debole, per 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, quindi se usi l'interazione debole, puoi capire dove si trovano i neutroni ", ha spiegato Kent Paschke.
Durante l'esperimento, un fascio di elettroni controllato con precisione è stato diretto su un sottile foglio di piombo raffreddato criogenicamente. Questi elettroni ruotavano nella direzione del loro movimento.
Gli elettroni nel fascio hanno interagito con i protoni o neutroni del bersaglio principale, tramite interazioni elettromagnetiche o deboli. Mentre l'interazione elettromagnetica è simmetrica allo specchio, l'interazione debole non lo è. Ciò significa che gli elettroni che interagiscono tramite l'elettromagnetismo lo hanno fatto indipendentemente dalla direzione dello spin dell'elettrone, mentre gli elettroni che interagiscono tramite l'interazione debole lo hanno fatto preferibilmente più spesso quando lo spin era in una direzione rispetto all'altra.
Usando questa asimmetria nello scattering, possiamo determinare la forza dell'interazione e questo ci dice circa la dimensione del volume occupato dai neutroni. Ci dice dove i neutroni si confrontano con i protoni. ha detto Krishna Kumar, coautore dell'esperimento e professore all'Università del Massachusetts.
Un alto grado di accuratezza era richiesto per le misurazioni di successo. Durante l'esperimento, lo spin del fascio di elettroni è stato commutato da una direzione all'altra 240 volte al secondo, quindi gli elettroni hanno volato per quasi un chilometro e mezzo attraverso l'acceleratore CEBAF prima di essere posizionati con precisione sul bersaglio.
In media, per l'intera corsa, sapevamo dove i raggi destro e sinistro sono l'uno rispetto all'altro entro una larghezza di 10 atomi, dicono i fisici.
Gli elettroni che si sono dispersi dai nuclei di piombo, lasciandoli intatti, sono stati raccolti e analizzati. La collaborazione PREx-II lo ha quindi combinato con un precedente risultato del 2012 e misurazioni accurate del raggio del protone del nucleo di piombo, spesso indicato come il suo raggio di carica.
Il raggio di carica è di circa 5,5 femtometri. E la distribuzione dei neutroni è leggermente più grande di quella - circa 5,8 femtometri, quindi l'inviluppo dei neutroni è di 0,28 femtometri o giù di lì. 28 milionesimi di nanometro.
2021-04-29 19:54:11
Autore: Vitalii Babkin