原子核物理学者は、トーマス・ジェファーソン国立加速器センターで実施され、Physical Review Lettersに掲載されたばかりの実験で、鉛原子核を含む中性子スキンの厚さの新しい高精度測定を実施しました。ナノメートルの0.28ppmの中性子殻の厚さを示した結果は、中性子星の構造とサイズにとって重要です。
宇宙のすべての原子の中心にある原子核を形成する陽子と中性子は、各原子の同一性と特性を決定するのに役立ちます。原子核物理学者は、陽子と中性子が原子核内でどのように機能するかについてさらに学ぶために、さまざまな原子核を研究しています。 PREx（鉛の化学名Pb）と呼ばれる鉛半径実験の共同作業では、鉛の原子核における陽子と中性子の分布の微妙な詳細を調査しています。
問題は、鉛の中性子はどこにあるのかということです。鉛は重い原子核であり、余分な中性子がありますが、核の強度に関しては、陽子と中性子の均等な組み合わせがより効果的であると、バージニア大学の教授で実験の共著者であるケント・パシュケは言います。
陽子が少ない軽い原子核は、通常、同じ数の陽子と中性子を内部に持っています。原子核が重くなると、安定性を保つために陽子よりも多くの中性子が必要になります。
20を超える陽子を持つすべての安定核は、陽子よりも多くの中性子を持っています。たとえば、鉛には82個の陽子と126個の中性子が含まれています。これらの余分な中性子が原子核内にどのように分布しているかを測定することは、重い原子核がどのように結合するかを理解するための重要な貢献です。
科学者たちは、鉛原子核の陽子は球の中にあり、中性子はそれらの周りのより大きな球の中にあることを発見しました。これを中性子殻と呼びます。
2012年にPhysicalReview Lettersに発表されたPREx実験の結果は、電子散乱技術を使用したこの中性子シェルの最初の実験的観測を提供しました。この結果を受けて、コラボレーションはPREx-IIでその厚さをより正確に測定し始めました。測定は、CWEBアクセラレータのインストールを使用して2019年の夏に実行されましたこの実験は、最初の実験と同様に、中性子の観点から鉛原子核の平均サイズを測定しました。
物理学者が素粒子を測定するために使用する高感度プローブの多くは、自然界の4つの相互作用の1つである電磁相互作用による粒子の電荷の測定に依存しているため、中性子の測定は困難です。 PRExは、別の基本的な力である弱い核力を使用して、中性子の分布を研究します。
陽子には電荷があり、電磁力を使用してマッピングできます。中性子には電荷がありませんが、陽子に比べて弱い電荷が大きいため、弱い相互作用を利用すれば、中性子がどこにあるのかがわかります」とケント・パシュケは説明します。
実験中、正確に制御された電子ビームは、極低温に冷却された鉛の薄いシートに向けられました。これらの電子はそれらの運動の方向に回転していました。
ビーム内の電子は、電磁相互作用または弱い相互作用のいずれかを介して、鉛ターゲットの陽子または中性子と相互作用しました。電磁相互作用は鏡面対称ですが、弱い相互作用はそうではありません。これは、電磁気学を介して相互作用する電子は、電子スピンの方向に関係なくそれを行ったが、弱い相互作用を介して相互作用する電子は、スピンが他の方向と比較して一方向である場合に、より頻繁に行うことが好ましいことを意味します。
この散乱の非対称性を使用して、相互作用の強さを決定できます。これにより、中性子が占める体積のサイズがわかります。彼は、中性子が陽子と比較するところを教えてくれます。実験の共著者でマサチューセッツ大学の教授であるクリシュナ・クマールは言った。
測定を成功させるには、高度な精度が必要でした。実験を通して、電子ビームのスピンは1秒間に一方向から反対方向に240回切り替えられ、電子はターゲットに正確に配置される前にCEBAF加速器をほぼ1.5km飛行しました。
物理学者によると、平均して、実行全体で、右光線と左光線が10原子の幅内で互いに相対的な位置にあることがわかっていました。
鉛の原子核から散乱してそのまま残った電子を集めて分析した。次に、PREx-IIコラボレーションは、それを以前の2012年の結果と、しばしばその荷電半径と呼ばれる鉛原子核陽子の半径の正確な測定値と組み合わせました。
荷電半径は約5.5フェムトメートルです。そして、中性子分布はそれよりわずかに大きく、約5.8フェムトメートルなので、中性子エンベロープは0.28フェムトメートル程度です。ナノメートルの2800万分の1。
2021-04-29 19:54:11
著者: Vitalii Babkin