“Perché vivono scienziati sperimentali?”

Per tre mesi nel 2019, i fisici hanno soffiato un fascio di elettroni su atomi di piombo che erano tenuti in posizione da chip di diamanti. Il team stava cercando di determinare lo spessore della pelle dei neutroni, l’avvolgimento dei neutroni con carica neutra che circonda i protoni con carica positiva nel nucleo dell’atomo di piombo. Ci riescono.

La dimensione della pelle dei neutroni del piombo è -208 0,28 un femtometro – 0,28 trilioni di parti di millimetro – il team ha determinato un aumento dello spessore stimato della pelle di un decimo di femtometro rispetto ai calcoli precedenti. Questo è un grande cambiamento su scala atomica.

Kent Baschke, un fisico dell’Università della Virginia e coautore del nuovo studio, ha detto in una telefonata che effettuare la misurazione era molto simile a “sapere di aver preso questa tigre per la coda”. Ci sono voluti tre mesi di intense operazioni laser, blackout e monitoraggio 24 ore su 24 del sistema. Il team non era sicuro di essere in grado di completare il lavoro nei tre mesi a disposizione. Ma alla fine, la maratona su scala atomica ha mostrato una misurazione accurata, che ha ridefinito la nostra comprensione delle dimensioni della pelle dei neutroni.

I precedenti calcoli della fustigazione si basavano su stime e ipotesi approssimative; I ricercatori sperano che questa nuova misurazione diventi una componente chiave delle future osservazioni su scala nucleare e stellare. Hanno fatto il loro lavoro a Un acceleratore di fascio di elettroni continuo è attaccato Presso lo stabilimento Thomas Jefferson National Accelerator di Newport News, Virginia. La misurazione è il culmine della seconda presentazione dell’esperimento Pb Radius, o PREX-II, e dei risultati del team È pubblicato oggi su Physical Review Letters.

Chandan Ghosh ha preparato alcuni rilevatori PREX-II. (Immagine: PREX Collaboration)

“Questa misurazione è entusiasmante per il mondo perché misura questo raggio di neutroni con le ipotesi più basse di sempre”, ha detto in una videochiamata il coautore dello studio Krishna Kumar, un fisico nucleare sperimentale presso l’Università del Massachusetts Amherst. “Questo è ciò per cui vivono gli scienziati sperimentali.”

Misurando il modo in cui gli elettroni con avvolgimenti diversi sono stati dispersi dai nuclei di piombo, il team è stato in grado di calcolare lo spessore della pelle dei neutroni, una misura che era stata difficile da determinare in precedenza perché i neutroni non avevano carica elettrica. Per disegnare un grano sullo spessore di una pelle di neutroni, il team ha effettuato misurazioni utilizzando la forza nucleare debole, piuttosto che la forza elettromagnetica che elettroni e protoni mostrano facilmente.

Questo isotopo del piombo, piombo 208, è stato scelto per la sua dimensione e struttura; È il nucleo superstabile più grande che i fisici conoscano e, forse, cosa più importante, è una doppia “magia”, il che significa che sia i protoni che i neutroni riempiono completamente il loro inviluppo orbitale.

“Pb-208 è particolarmente utile perché approssima un materiale nucleare unificato”, ha detto Bashaki. “Hai bisogno di quelle tecniche teoriche per descrivere cose grandi e pesanti”.

Ah, la fisica, il campo degli estremi. In questo caso, esaminare la pelle di neutroni che circonda il nucleo di un atomo ha implicazioni per la comprensione delle stelle di neutroni, gli oggetti più densi del nostro universo insieme ai buchi neri. Le stelle di neutroni sono i nuclei che collassano di stelle morte. Sono così densi che gli esperti non sono completamente sicuri di cosa si trovi al loro centro. è un È stato suggerito Possono essere la fonte degli assoni, un candidato per spiegare la materia oscura.

Una stella di neutroni è ciò che resta dopo che una stella collassa in una supernova, come quella qui raffigurata. (Foto: raggi X (NASA / CXC / ESO / F.Vogt et al); ottico (ESO / VLT / MUSE e NASA / STScI), fair use)

“La pressione del materiale neutronico fa sì che la stella di neutroni faccia la gravità e le impedisce di collassare in un buco nero”, ha detto in una e-mail il coautore dello studio Chuck Horowitz, astrofisico presso l’Università dell’Illinois. Abbiamo trovato una pelle di neutroni relativamente spessa nel piombo [lead], Ciò significa alta pressione e indica che le stelle di neutroni sono relativamente grandi. “

La speranza per lo spessore della pelle di neutroni di piombo è che gli astrofisici comprenderanno meglio le proprietà delle stelle di neutroni. Le collisioni di stelle di neutroni sono state osservate dalle onde gravitazionali generate dalle fusioni; Poiché le stelle di neutroni sono densamente imballate con materiale nucleare, i loro nuclei rimangono misteriosi: possono ospitare nuova fisica, sotto forma di nuovi stati della materia. A volte, esaminare i piccoli comportamenti delle particelle subatomiche può dirti di più su una stella che guardarla semplicemente attraverso un telescopio.