Os físicos nucleares realizaram uma nova medição de alta precisão da espessura da pele do nêutron que abrange o núcleo de chumbo em experimentos realizados no Thomas Jefferson National Accelerator Center e publicados recentemente na Physical Review Letters. O resultado, que mostrou uma espessura de camada de nêutrons de 0,28 ppm de um nanômetro, é importante para a estrutura e o tamanho das estrelas de nêutrons.
Os prótons e nêutrons que formam o núcleo no coração de cada átomo do universo ajudam a determinar a identidade e as propriedades de cada átomo. Os físicos nucleares estão estudando vários núcleos para aprender mais sobre como os prótons e nêutrons funcionam dentro do núcleo. Um esforço colaborativo no experimento do raio de chumbo, apelidado de PREx (para o nome químico de chumbo, Pb), está explorando os detalhes sutis da distribuição de prótons e nêutrons em núcleos de chumbo.
A questão é: onde estão os nêutrons no chumbo? O chumbo é um núcleo pesado, tem nêutrons extras, mas quando se trata de força nuclear, uma combinação igual de prótons e nêutrons funciona melhor, diz Kent Paschke, professor da Universidade da Virgínia e co-autor do experimento.
Os núcleos leves, que têm apenas alguns prótons, geralmente têm o mesmo número de prótons e nêutrons em seu interior. À medida que os núcleos ficam mais pesados, eles precisam de mais nêutrons do que prótons para se manterem estáveis.
Todos os núcleos estáveis com mais de 20 prótons têm mais nêutrons do que prótons. Por exemplo, o chumbo contém 82 prótons e 126 nêutrons. Medir como esses nêutrons extras são distribuídos dentro do núcleo é uma contribuição fundamental para a compreensão de como núcleos pesados se unem.
Os prótons no núcleo principal estão em uma esfera, e descobrimos que os nêutrons estão em uma esfera maior ao redor deles, e chamamos isso de camada de nêutrons, dizem os cientistas.
O resultado do experimento PREx, publicado na Physical Review Letters em 2012, forneceu a primeira observação experimental dessa camada de nêutrons usando técnicas de espalhamento de elétrons. A partir desse resultado, a colaboração passou a medir com mais precisão sua espessura no PREx-II. A medição foi realizada no verão de 2019 usando a instalação do acelerador CWEB Este experimento, como o primeiro, mediu o tamanho médio do núcleo principal em termos de seus nêutrons.
Os nêutrons são difíceis de medir porque muitas das sondas sensíveis que os físicos usam para medir as partículas subatômicas dependem da medição da carga elétrica das partículas por meio da interação eletromagnética, uma das quatro interações na natureza. PREx usa outra força fundamental, a força nuclear fraca, para estudar a distribuição dos nêutrons.
Os prótons têm carga elétrica e podem ser mapeados por meio da força eletromagnética. Os nêutrons não têm carga elétrica, mas comparados aos prótons, eles têm uma grande carga fraca e, portanto, se você usar a interação fraca, poderá descobrir onde estão os nêutrons ”, explicou Kent Paschke.
Durante o experimento, um feixe de elétrons precisamente controlado foi direcionado para uma folha fina de chumbo resfriado criogenicamente. Esses elétrons giravam na direção de seu movimento.
Os elétrons no feixe interagiam com os prótons ou nêutrons do alvo principal, por meio de interações eletromagnéticas ou fracas. Enquanto a interação eletromagnética é simétrica em espelho, a interação fraca não é. Isso significa que os elétrons interagindo via eletromagnetismo o faziam independentemente da direção do spin do elétron, enquanto os elétrons interagindo via interação fraca preferencialmente o faziam com mais frequência quando o spin estava em uma direção em comparação com a outra.
Usando essa assimetria no espalhamento, podemos determinar a força da interação, e isso nos diz sobre o tamanho do volume ocupado pelos nêutrons. Ele nos diz onde os nêutrons se comparam aos prótons. disse Krishna Kumar, co-autor do experimento e professor da Universidade de Massachusetts.
Um alto grau de precisão era necessário para medições bem-sucedidas. Ao longo do experimento, o spin do feixe de elétrons foi mudado de uma direção para a oposta 240 vezes por segundo, e então os elétrons voaram quase um quilômetro e meio através do acelerador CEBAF antes de serem precisamente colocados no alvo.
Em média, durante toda a execução, sabíamos onde os raios direito e esquerdo estão em relação um ao outro dentro de uma largura de 10 átomos, dizem os físicos.
Os elétrons que se espalharam dos núcleos principais, deixando-os intactos, foram coletados e analisados. A colaboração PREx-II então combinou com um resultado anterior de 2012 e medições precisas do raio do próton do núcleo principal, muitas vezes referido como seu raio de carga.
O raio de carga é de cerca de 5,5 femtômetros. E a distribuição de nêutrons é ligeiramente maior do que isso - cerca de 5,8 femtômetros, então o envelope de nêutrons é de 0,28 femtômetros ou mais. 28 milionésimos de nanômetro.
2021-04-29 19:54:11
Autor: Vitalii Babkin