Des mesures à haute résolution montrent que la « peau » de l’étoile à neutrons a moins d’un million de nanomètres d’épaisseur

Illustration d’un puissant sursaut de rayons X explosant à partir d’une étoile magnétique – une version supermagnétique d’un reste stellaire connu sous le nom d’étoile à neutrons. Crédit: Centre de vol spatial Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA)

Les physiciens nucléaires effectuent de nouvelles mesures à haute résolution de la couche de neutrons englobant le noyau de plomb, révélant de nouvelles informations sur les étoiles à neutrons.

Les physiciens nucléaires ont effectué une nouvelle mesure très précise de l’épaisseur de la «peau» neutronique qui comprend un noyau de plomb dans des expériences menées à l’installation nationale d’accélérateur Thomas Jefferson du département américain de l’énergie et vient de publier dans Lettres d’examen physique. Le résultat, qui a révélé une épaisseur de peau neutronique de 0,28 ppm d’un nanomètre, a des implications importantes sur la structure et la taille des étoiles à neutrons.

Les protons et neutrons qui composent le noyau sont au cœur de chaque atome Dans l’univers, il aide à définir l’identité et les propriétés de chaque atome. Les physiciens nucléaires étudient différents noyaux pour en savoir plus sur le fonctionnement de ces protons et neutrons dans le noyau. La collaboration Lead Radius Experiment, appelée PREx (après le symbole chimique du plomb, Pb), étudie les subtilités de la répartition des protons et des neutrons dans les noyaux de plomb.

La question est de savoir où sont les neutrons au premier plan. Kent Bashki, professeur à l’Université de Virginie et porte-parole de l’expérience, a déclaré que le plomb est un noyau lourd – il y a des neutrons supplémentaires, mais en ce qui concerne la force nucléaire, un mélange égal de protons et de neutrons fonctionne mieux.

La salle expérimentale du laboratoire Jefferson est l’un des quatre domaines de recherche en physique nucléaire de l’installation d’accélération continue des faisceaux d’électrons du laboratoire. Crédit: Laboratoire Jefferson du Département de l’Énergie

Bashki a expliqué que les noyaux légers, qui contiennent quelques protons, contiennent généralement un nombre égal de protons et de neutrons. À mesure que les noyaux deviennent plus lourds, ils ont besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables. Tous les noyaux stables avec plus de 20 protons contiennent plus de neutrons que de protons. Par exemple, le plomb a 82 protons et 126 neutrons. Mesurer la répartition de ces neutrons supplémentaires dans le noyau est un élément clé pour comprendre comment les noyaux lourds sont regroupés.

« Les protons dans le noyau de plomb sont dans une boule », a déclaré Bashki. « Nous avons constaté que les neutrons sont dans une plus grande boule autour de lui, et nous l’appelons la peau de neutrons. »

Le résultat de l’essai PREx a été publié dans Lettres d’examen physique En 2012, il a réalisé la première observation expérimentale de cette peau neutronique à l’aide de techniques de diffusion d’électrons. Après ce résultat, la collaboration a procédé à une mesure plus précise de son épaisseur dans PREx-II. La mesure a été réalisée à l’été 2019 à l’aide de l’installation d’accélérateur de faisceaux d’électrons continus, une installation utilisée du bureau scientifique du ministère de l’Énergie. Cette expérience, comme la première, mesurait la taille moyenne du noyau d’un plomb en termes de neutrons.

Les neutrons sont difficiles à mesurer, car bon nombre des capteurs sensibles que les physiciens utilisent pour mesurer les particules subatomiques reposent sur la mesure de la charge électrique des particules via l’interaction électromagnétique, qui est l’une des quatre réactions de la nature. PREx utilise une force fondamentale différente, la force nucléaire faible, pour étudier la distribution des neutrons.

« Les protons ont une charge électrique et peuvent être déterminés à l’aide de la force électromagnétique. Les neutrons n’ont pas de charge électrique, mais comparés aux protons, ils ont une forte charge faible, donc si vous utilisez l’interaction faible, vous pouvez trouver où les neutrons sont », a expliqué Baschke.

Dans l’expérience, un faisceau d’électrons finement contrôlé a été envoyé, écrasé dans une fine feuille de plomb refroidi à froid. Ces électrons tournaient dans la direction de leur mouvement, comme une hélice sur un ballon de football.

Les électrons du faisceau ont interagi avec les protons ou les neutrons de la cible principale soit au moyen d’une interaction électromagnétique, soit de l’interaction faible. Alors que la réaction électromagnétique est isomorphe, l’interaction faible ne l’est pas. Cela signifie que les électrons qui ont interagi via l’électromagnétisme l’ont fait quelle que soit la direction de la rotation des électrons, tandis que les électrons qui ont interagi via l’interaction faible interagissaient plus préférentiellement lorsque les spins étaient dans un sens par rapport à l’autre.

« En utilisant l’asymétrie dans la diffusion, nous pouvons déterminer la force de la réaction, et cela nous indique combien de volume les neutrons occupent. Cela nous indique où les neutrons sont comparés aux protons. » A déclaré Krishna Kumar, porte-parole du procès et professeur à l’Université du Massachusetts à Amherst.

La mesure nécessite un degré élevé de précision pour être exécutée avec succès. Tout au long de l’expérience expérimentale, le faisceau d’électrons a été retourné d’une direction à l’autre 240 fois par seconde, et les électrons ont ensuite parcouru environ un mile à travers l’accélérateur CEBAF avant d’être placés précisément sur la cible.

« En moyenne sur toute la gamme, nous savions où se trouvaient les rayons droit et gauche, l’un par rapport à l’autre, dans la large gamme de 10 atomes », a déclaré Kumar.

Les électrons qui ont été dispersés à partir des noyaux de plomb ont été collectés et analysés tout en les laissant intacts. Ensuite, la collaboration PREx-II l’a combiné avec le résultat précédent de 2012 et des mesures précises du rayon du proton d’un noyau de plomb, souvent appelé rayon de charge.

Le rayon de la charge est d’environ 5,5 femtomètres. La distribution des neutrons est un peu plus grande – environ 5,8 femtomètres, donc la peau des neutrons est de 0,28 femtomètres, soit environ 28 parties par million de nanomètres », a déclaré Baschke.

Les chercheurs ont déclaré que ce nombre est plus épais que ce que certaines théories ont suggéré, ce qui affecte les processus physiques des étoiles à neutrons et leur taille.

« C’est l’observation la plus directe de la flagellation des neutrons. Nous trouvons ce que nous appelons l’équation à l’état solide – une pression plus élevée que prévu qu’il est difficile de comprimer ces neutrons dans le noyau. Ainsi, nous avons constaté que la densité à l’intérieur du noyau est légèrement plus bas que prévu », a déclaré Baschke.

« Nous devons connaître le contenu Étoile à neutrons Et l’équation d’état, afin que nous puissions prédire les propriétés de ces étoiles à neutrons « , a déclaré Kumar. » Donc, ce que nous contribuons au champ avec cette mesure du noyau de plomb vous permet de mieux extrapoler les propriétés des étoiles à neutrons. « 

L’équation d’état étonnamment rigide impliquée par le résultat PREx a des liens profonds avec les observations récentes d’étoiles à neutrons en collision faites par l’observatoire des ondes gravitationnelles laser, lauréat du prix Nobel, ou Lego, Expérience – il a fait des expériences. LIGO est un observatoire physique à grande échelle conçu pour la détection Ondes gravitationnelles.

«Lorsque les étoiles à neutrons commencent à tourner en orbite l’une contre l’autre, elles émettent des ondes gravitationnelles qui ont été détectées par LIGO. À l’approche de la fraction de seconde finale, la gravité d’une étoile à neutrons donne à l’autre étoile à neutrons la forme d’une larme – elle devient en fait un rectangle comme un ballon de football américain. Si la peau neutronique est plus grande, cela signifie une forme spécifique au football, et si la peau neutronique est plus petite, cela signifie une forme différente pour le football. « La forme du football est mesurée par LIGO. » « L’expérience LIGO et l’expérience PREx a fait des choses très différentes « , a déclaré Kumar. Mais elles sont liées à cette équation de base – l’équation de l’état de la matière nucléaire. »

Référence: «Détermination précise de l’épaisseur de la peau neutronique pour ²⁰⁸Lead by Valence Violation in Electron Scattering « Par D. Adhikari et al. (PREX Collaboration), 27 avril 2021, disponible ici. Lettres d’examen physique.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502

La collaboration expérimentale PREx-II comprend 13 doctorants. Des étudiants et sept participants à la recherche postdoctorale, ainsi que plus de 70 autres chercheurs de près de 30 établissements.

Ces travaux ont été soutenus par le Bureau des sciences du ministère de l’Énergie, la National Science Foundation, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et l’Institut italien du nucléaire (INFN).