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0.28飞米!科学家精确测量铅核“中子皮”厚度,比以往理论认为的更厚

2021-04-28 17:13 前瞻网   

 

核物理学家在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的实验中,对中子“皮”的厚度进行了新的、高度精确的测量,结果最新发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

结果显示,中子表皮厚度为0.28飞米(0.28百万分之一纳米),这对中子星的结构和大小具有重要意义。

0.28飞米!科学家精确测量铅核“中子皮”厚度,比以往理论认为的更厚

构成宇宙中每个原子核心的原子核的质子和中子,有助于确定每个原子的身份和属性。核物理学家正在研究不同的原子核,以更多地了解这些质子和中子是如何在原子核内活动的。铅半径实验合作组织——名为PREx(铅的化学符号Pb),正在研究质子和中子在铅核中分布的细节。

“问题是铅中的中子在哪里。铅是一种重核——有额外的中子,但就核力而言,质子和中子的同等混合效果更好。

Paschke解释说,那些只有几个质子的轻原子核,通常内部有相等数量的质子和中子。随着原子核变重,它们需要更多的中子而不是质子来保持稳定。所有超过20个质子的稳定原子核的中子都比质子多。例如,铅有82个质子和126个中子。测量这些额外的中子在原子核内是如何分布的,这对于理解原子核的重量是如何组合在一起是很关键的。

Paschke说:“铅原子核中的质子在一个球体中,而我们发现中子在它们周围的一个更大的球体中,我们称之为中子皮(neutron skin)。”

2012年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的PREx实验结果,首次提供了利用电子散射技术对这种中子皮的实验观察。在得到这个结果之后,他们开始在PREx-II中对其厚度进行更精确的测量。该测量是在2019年夏天使用美国能源部科学办公室的连续电子束加速器设施进行的。

在实验中,一束精确控制的电子束被发射到一层低温冷却的薄铅片上。这些电子沿着自己的运动方向旋转,就像足球传球时的螺旋。

电子束中的电子,通过电磁或弱相互作用与先导目标的质子或中子相互作用。电磁相互作用是镜像对称的,而弱相互作用不是。这意味着通过电磁相互作用的电子与电子的自旋方向无关,而通过弱相互作用相互作用的电子在自旋方向为一个方向时更倾向于这样做。

“利用散射中的这种不对称性,我们可以确定相互作用的强度,这告诉我们中子所占体积的大小。它告诉我们中子和质子的比较位置。”马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的实验发言人兼教授克里希纳·库马尔(Krishna Kumar)说。

成功地进行测量需要很高的精度。在整个实验过程中,电子束的自旋以每秒240次的速度从一个方向转向另一个方向,然后电子在CEBAF加速器中运动了近1英里,然后才被精确地放置到目标上。

“在整个运行过程中,我们平均知道左右两束光束的位置,彼此之间的相对距离在10个原子的范围内。”

收集并分析了那些在铅核未被破坏时分散的电子。然后,PREx-II合作将其与之前2012年的结果结合起来,并对铅核的质子半径(通常称为电荷半径)进行了精确测量。

“电荷半径大约是5.5飞米。而中子的分布稍微大一点,大约5.8飞米,所以中子表面是0.28飞米。”Paschke说。

研究人员表示,这个数字比一些理论提出的要厚,这对中子星的物理过程和它们的大小有一定的影响。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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