Físicos medem a pele de nêutrons de um átomo de chumbo

Elementos de detecção primária do projeto PREX-II.

Elementos de detecção primária do projeto PREX-II.
Foto: A colaboração PREX

Por três meses em 2019, os físicos detonaram um feixe de elétrons em átomos de chumbo mantidos no lugar por uma folha de diamante. A equipe estava tentando determinar a espessura do esqui de nêutronsnão, a bainha de nêutrons de carga neutra que circunda prótons carregados positivamente no núcleo de um átomo de chumbo. They teve sucesso.

A pele de nêutrons do chumbo-208 tem 0,28 femtômetro – 0,28 trilionésimos de milímetro – a equipe determinou, aumentando a espessura estimada da pele em um décimo de femtômetro a partir de cálculos anteriores. É uma grande mudança em escala atômica.

ChásA medição foi como “saber que você estava com aquele tigre pelo rabo”, disse Kent Paschke, físico da Universidade da Virgínia e co-autor do novo estudo, em um telefonema. Demorou três meses de intenso execuções de laser, interrupções de energia persistentes e monitoramento do sistema 24 horas. A equipe não tinha certeza se poderia concluir o trabalho dentro dos três meses que receberam. Mas no final, a maratona em escala atômica deu uma medida exata, que redefine a nossa compreendendo o tamanho do nêutron pele.

Cálculos anteriores para o pele relies em estimativas e suposições mais grosseiras; os pesquisadores esperam que esta nova medição se torne um elemento fundamental para futuras observações na escala nuclear e estelar. Eles fizeram seu trabalho em Instalação contínua do acelerador de feixe de elétrons no Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, Virginia. A medição é o culminar da segunda interpretação do experimento Pb Radius, ou PREX-II, e dos resultados da equipe. são publicados hoje na Physical Review Letters.

Chandan Ghosh preparou alguns dos detectores PREX-II.

Chandan Ghosh preparou alguns dos detectores PREX-II.
Foto: A colaboração PREX

“Esta medição é empolgante para o cientista porque faz uma medição do raio do nêutron com o menor número de suposições já feitas”, disse studeles coautor Krishna Kumar, físico nuclear experimental da Universidade de Massachusetts Amherst, durante uma videochamada. “Isso é o que a ciência experimentalos ntistas vivem para. “

Ao medir como os elétrons de diferentes spins se espalham sobre os núcleos de chumbo, a equipe foi capaz de determinar a espessura da pele do nêutron, uma medição que antes era difícil de determinar porque os nêutrons não têm carga elétrica. Para desenhar uma conta na espessura da pele do nêutron, a equipe fez medições usando a força nuclear fraca, em vez da força eletromagnética que os elétrons e prótons exibem tão facilmente.

Este isótopo particular de chumbo, chumbo-208, foi escolhido por causa de seu tamanho e estrutura; é o maior núcleo superestável que os físicos conhecem e, talvez mais importante, é duplamente “mágico”, o que significa que seus prótons e nêutrons preenchem completamente suas camadas orbitais.

“O chumbo-208 é particularmente útil porque se aproxima do material nuclear uniforme”, disse Paschke. “Você precisa dessas técnicas teóricas para descrever coisas grandes e pesadas.”

Ah, física, uma área de extremos. Nesse caso, examinar a pele dos nêutrons ao redor do núcleo de um átomo tem implicações para a compreensão das estrelas de nêutrons, os objetos mais densos em nosso universo, além dos buracos negros. Estrelas de nêutrons são núcleos colapsados ​​de estrelas mortas; eles são tão densos que os especialistas não têm certeza do que está em sua base. Isso é foi sugerido que eles podem ser a fonte de axions, um candidato para explicar a matéria escura.

Uma estrela de nêutrons é o que resta após o colapso de uma estrela em uma supernova, como a mostrada aqui.

Uma estrela de nêutrons é o que resta após o colapso de uma estrela em uma supernova, como a mostrada aqui.
Foto: Raios X (NASA / CXC / ESO / F. Vogt et al); Ótico (ESO / VLT / MUSE & NASA / STScI) (Uso justo)

“A pressão da matéria de nêutrons mantém uma estrela de nêutrons contra a gravidade e evita que ela entre em colapso em um buraco negro”, disse o co-autor do estudo Chuck Horowitz, astrofísico da Universidade de Illinois, por e-mail. “Encontramos uma camada de nêutron relativamente espessa no Pb [lead], e isso implica alta pressão e sugere que as estrelas de nêutrons são relativamente grandes.

A esperança que reside na espessura da pele dos nêutrons de chumbo é que os astrofísicos entendam melhor as propriedades das estrelas de nêutrons. Colisões de estrelas de nêutrons foram observadas por ondas gravitacionais geradas por suas fusões; uma vez que as estrelas de nêutrons são densamente compactadas com matéria nuclear, seus núcleos permanecem enigmáticos – elas poderiam acomodar a nova física, na forma de novos estados da matéria. Às vezes, examinar o comportamento pequeno das partículas subatômicas pode dizer mais sobre uma estrela do que olhar para ela através de um telescópio.

Após: Uma estrela de nêutrons típica tem apenas 13,6 milhas de largura, de acordo com a nova medição ultraprecisa

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