Протоны и нейтроны, которые образуют ядро в сердце каждого атома во Вселенной, помогают определить идентичность и свойства каждого атома. Физики-ядерщики изучают различные ядра, чтобы узнать больше о том, как эти протоны и нейтроны действуют внутри ядра. Совместная работа по эксперименту Lead Radius, получившая название PREx (в честь химического обозначения свинца, Pb), изучает мелкие детали распределения протонов и нейтронов в ядрах свинца.

"Вопрос заключается в том, где находятся нейтроны в свинце. Свинец - тяжелое ядро, в нем есть дополнительные нейтроны, но что касается ядерной силы, то равное количество протонов и нейтронов работает лучше", - сказал Кент Пашке, профессор Университета Вирджинии и соавтор эксперимента.

Пашке объяснил, что легкие ядра, содержащие всего несколько протонов, обычно имеют внутри равное количество протонов и нейтронов. Поскольку ядра становятся тяжелее, им требуется больше нейтронов, чем протонов, чтобы оставаться стабильными. Все стабильные ядра, содержащие более 20 протонов, содержат больше нейтронов, чем протонов. Например, свинец содержит 82 протона и 126 нейтронов. Измерение того, как эти дополнительные нейтроны распределяются внутри ядра, является ключевым вкладом в понимание того, как тяжелые ядра собираются вместе.

"Протоны в ядре свинца находятся в сфере, и мы обнаружили, что нейтроны находятся в большей сфере вокруг них, и мы называем это нейтронной оболочкой", - сказал Пашке.

Результат эксперимента PREx, опубликованный в Physical Review Letters в 2012 году, обеспечил первое экспериментальное наблюдение этой нейтронной оболочки с использованием методов рассеяния электронов. После этого результата сотрудничество приступило к более точному измерению его толщины в PREx-II. Измерение было проведено летом 2019 года с использованием ускорителя непрерывного электронного пучка, пользовательского оборудования Министерства энергетики США. Этот эксперимент, как и первый, измерял средний размер ядра свинца в пересчете на его нейтроны.

Нейтроны трудно измерить, потому что многие чувствительные зонды, которые физики используют для измерения субатомных частиц, основаны на измерении электрического заряда частиц посредством электромагнитного взаимодействия, одного из четырех взаимодействий в природе. Прекс использует другую фундаментальную силу, слабую ядерную силу, для изучения распределения нейтронов.

"Протоны обладают электрическим зарядом, и их можно отобразить с помощью электромагнитной силы. Нейтроны не имеют электрического заряда, но по сравнению с протонами у них большой слабый заряд, и поэтому, если вы используете слабое взаимодействие, вы можете определить, где находятся нейтроны". объяснил Пашке.

В ходе эксперимента точно управляемый пучок электронов был направлен на тонкий лист криогенно охлажденного свинца. Эти электроны вращались в направлении своего движения, подобно спирали при футбольном пасе.

Электроны в пучке взаимодействовали с протонами или нейтронами свинцовой мишени либо посредством электромагнитного, либо слабого взаимодействия. В то время как электромагнитное взаимодействие зеркально симметрично, слабое взаимодействие таковым не является. Это означает, что электроны, которые взаимодействовали посредством электромагнетизма, делали это независимо от направления вращения электронов, в то время как электроны, которые взаимодействовали посредством слабого взаимодействия, предпочтительно делали это чаще, когда спин был в одном направлении по сравнению с другим.

"Используя эту асимметрию в рассеянии, мы можем определить силу взаимодействия, и это говорит нам о размере объема, занимаемого нейтронами. Это говорит нам, где нейтроны сравниваются с протонами". сказал Кришна Кумар, соавтор эксперимента и профессор Массачусетского университета в Амхерсте.

Для успешного проведения измерения требовалась высокая степень точности. На протяжении всего эксперимента вращение электронного пучка менялось с одного направления на противоположное 240 раз в секунду, а затем электроны прошли почти милю через ускоритель CEBAF, прежде чем точно попасть в мишень.

"В среднем за весь прогон мы знали, где находятся правый и левый пучки относительно друг друга, в пределах ширины 10 атомов", - сказал Кумар.

Электроны, которые рассеялись от ядер свинца, оставив их нетронутыми, были собраны и проанализированы. Затем коллаборация PREx-II объединила его с предыдущим результатом 2012 года и точными измерениями протонного радиуса ядра свинца, который часто называют его зарядовым радиусом.

"Радиус заряда составляет около 5,5 фемтометров. И распределение нейтронов немного больше этого - около 5,8 фемтометра, так что нейтронная оболочка составляет 0,28 фемтометра, или около того.28 миллионных долей нанометра", - сказал Пашке.

Исследователи сказали, что эта цифра толще, чем предполагали некоторые теории, что имеет значение для физических процессов в нейтронных звездах и их размера.

"Это самое прямое наблюдение нейтронной оболочки. Мы находим то, что мы называем жестким уравнением состояния - давление выше ожидаемого, так что трудно втиснуть эти нейтроны в ядро. И вот, мы обнаруживаем, что плотность внутри ядра немного ниже, чем ожидалось", - сказал Пашке.

"Нам нужно знать содержание нейтронной звезды и уравнение состояния, и тогда мы сможем предсказать свойства этих нейтронных звезд", - сказал Кумар. "Итак, то, что мы вносим в эту область с помощью этого измерения ядра свинца, позволяет вам лучше экстраполировать свойства нейтронных звезд".

Неожиданно жесткое уравнение состояния, подразумеваемое результатом Прекса, имеет глубокие связи с недавними наблюдениями сталкивающихся нейтронных звезд, сделанными в рамках эксперимента LIGO, получившего Нобелевскую премию по лазерному интерферометру гравитационно-волновой обсерватории. LIGO - это крупномасштабная физическая обсерватория, которая была разработана для обнаружения гравитационных волн.

"Когда нейтронные звезды начинают вращаться по спирали друг вокруг друга, они испускают гравитационные волны, которые обнаруживаются LIGO. И когда они сближаются в последнюю долю секунды, гравитационное притяжение одной нейтронной звезды превращает другую нейтронную звезду в каплю - она фактически становится продолговатой, как американский футбол. Если нейтронная оболочка больше, то это означает определенную форму футбольного мяча, а если бы нейтронная оболочка была меньше, это означает другую форму футбольного мяча. А форма футбольного мяча измеряется LIGO", - сказал Кумар. "Эксперимент LIGO и эксперимент PREx показали очень разные вещи, но они связаны этим фундаментальным уравнением - уравнением состояния ядерной материи".