رسم توضيحي لانفجار قوي من الأشعة السينية ينفجر من نجم مغناطيسي – نسخة مغنطيسية فائقة من بقايا نجمية تُعرف باسم نجم نيوتروني. الائتمان: مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا / كريس سميث (USRA)
يقوم الفيزيائيون النوويون بإجراء قياسات جديدة عالية الدقة لطبقة النيوترونات التي تشمل نواة الرصاص ، ويكشفون عن معلومات جديدة حول النجوم النيوترونية.
أجرى علماء الفيزياء النووية قياسًا جديدًا ودقيقًا للغاية لسمك “الجلد” النيوتروني الذي يشمل نواة الرصاص في التجارب التي أُجريت في مرفق معجل توماس جيفرسون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ونشرت للتو في رسائل المراجعة البدنية. النتيجة ، التي كشفت عن سمك جلد نيوتروني يبلغ 0.28 جزء من المليون من النانومتر ، له آثار مهمة على بنية النجوم النيوترونية وحجمها.
البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة في قلب كل منها ذرة في الكون تساعد في تحديد هوية كل ذرة وخصائصها. يدرس الفيزيائيون النوويون نوى مختلفة لمعرفة المزيد حول كيفية عمل هذه البروتونات والنيوترونات داخل النواة. يدرس تعاون Lead Radius Experiment ، المسمى PREx (بعد الرمز الكيميائي للرصاص ، Pb) ، التفاصيل الدقيقة لكيفية توزيع البروتونات والنيوترونات في نوى الرصاص.
السؤال يدور حول مكان وجود النيوترونات في المقدمة. قال كينت باشكي ، الأستاذ في جامعة فيرجينيا والمتحدث باسم التجربة ، إن الرصاص نواة ثقيلة – هناك نيوترونات إضافية ، ولكن فيما يتعلق بالقوة النووية ، فإن مزيجًا متساويًا من البروتونات والنيوترونات يعمل بشكل أفضل.
تعد القاعة التجريبية لمعمل جيفرسون واحدة من أربعة مجالات لأبحاث الفيزياء النووية في مرفق تسريع شعاع الإلكترون المستمر في المختبر. الائتمان: مختبر جيفرسون التابع لوزارة الطاقة
أوضح باشكي أن النوى الخفيفة ، التي تحتوي على عدد قليل من البروتونات ، عادة ما تحتوي على أعداد متساوية من البروتونات والنيوترونات بداخلها. عندما تصبح النوى أثقل ، فإنها تحتاج إلى نيوترونات أكثر من البروتونات لتظل مستقرة. تحتوي جميع النوى المستقرة التي تحتوي على أكثر من 20 بروتونًا على نيوترونات أكثر من البروتونات. على سبيل المثال ، يحتوي الرصاص على 82 بروتونًا و 126 نيوترونًا. يعد قياس كيفية توزيع هذه النيوترونات الزائدة داخل النواة من المدخلات الرئيسية لفهم كيفية تجميع النوى الثقيلة معًا.
قال باشكي: “توجد البروتونات في نواة الرصاص في كرة ، ووجدنا أن النيوترونات موجودة في كرة أكبر حولها ، ونطلق عليها اسم الجلد النيوتروني”.
تم نشر نتيجة تجربة PREx في رسائل المراجعة البدنية في عام 2012 ، قدمت أول ملاحظة تجريبية لهذا الجلد النيوتروني باستخدام تقنيات تشتت الإلكترون. بعد هذه النتيجة ، شرع التعاون في إجراء قياس أكثر دقة لسمكه في PREx-II. تم إجراء القياس في صيف عام 2019 باستخدام مرفق مسرع شعاع الإلكترون المستمر ، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. هذه التجربة ، مثل الأولى ، قاست متوسط حجم نواة الرصاص من حيث النيوترونات.
يصعب قياس النيوترونات ، لأن العديد من المجسات الحساسة التي يستخدمها الفيزيائيون لقياس الجسيمات دون الذرية تعتمد على قياس الشحنة الكهربائية للجسيمات من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي ، وهو أحد التفاعلات الأربعة في الطبيعة. يستخدم PREx قوة أساسية مختلفة ، القوة النووية الضعيفة ، لدراسة توزيع النيوترونات.
“البروتونات لها شحنة كهربائية ويمكن تعيينها باستخدام القوة الكهرومغناطيسية. ليس للنيوترونات شحنة كهربائية ، ولكن بالمقارنة مع البروتونات ، فإن لديها شحنة ضعيفة كبيرة ، وبالتالي إذا كنت تستخدم التفاعل الضعيف ، يمكنك معرفة مكان وجود النيوترونات “، أوضح باشكي.
في التجربة ، تم إرسال حزمة من الإلكترونات التي يتم التحكم فيها بدقة ، محطمة في ورقة رقيقة من الرصاص المبرد بالتبريد. كانت هذه الإلكترونات تدور في اتجاه حركتها ، مثل اللولب على ممر كرة القدم.
تفاعلت الإلكترونات في الحزمة مع بروتونات أو نيوترونات الهدف الرئيسي إما عن طريق التفاعل الكهرومغناطيسي أو التفاعل الضعيف. في حين أن التفاعل الكهرومغناطيسي متماثل المرآة ، فإن التفاعل الضعيف ليس كذلك. هذا يعني أن الإلكترونات التي تفاعلت عن طريق الكهرومغناطيسية فعلت ذلك بغض النظر عن اتجاه دوران الإلكترونات ، في حين أن الإلكترونات التي تفاعلت عبر التفاعل الضعيف تفاعلت بشكل تفضيلي أكثر عندما كان السبين في اتجاه واحد مقابل الآخر.
“باستخدام عدم التناسق في التشتت ، يمكننا تحديد قوة التفاعل ، وهذا يخبرنا بحجم الحجم الذي تشغله النيوترونات. يخبرنا أين تتم مقارنة النيوترونات بالبروتونات “. قال كريشنا كومار ، المتحدث باسم التجربة وأستاذ في جامعة ماساتشوستس أمهيرست.
يتطلب القياس درجة عالية من الدقة لإجراء بنجاح. طوال التجربة التجريبية ، تم قلب شعاع الإلكترون من اتجاه واحد إلى عكسه 240 مرة في الثانية ، ثم قطعت الإلكترونات مسافة ميل تقريبًا عبر مسرع CEBAF قبل وضعها بدقة على الهدف.
قال كومار: “في المتوسط على مدى المدى الكامل ، عرفنا مكان الشعاع الأيمن والأيسر ، بالنسبة لبعضهما البعض ، في نطاق عرض 10 ذرات”.
تم جمع وتحليل الإلكترونات التي تبعثرت من نوى الرصاص مع تركها سليمة. بعد ذلك ، قام تعاون PREx-II بدمجها مع نتيجة 2012 السابقة والقياسات الدقيقة لنصف قطر البروتون لنواة الرصاص ، والذي يشار إليه غالبًا باسم نصف قطر الشحنة.
يبلغ نصف قطر الشحنة حوالي 5.5 فيمتومتر. وتوزع النيوترونات أكبر بقليل من ذلك – حوالي 5.8 فيمتومتر ، لذا فإن الجلد النيوتروني يبلغ 0.28 فيمتومتر ، أو حوالي 28 جزء من المليون من النانومتر ، “قال باشكي.
قال الباحثون إن هذا الرقم أكثر سمكًا مما اقترحته بعض النظريات ، مما يؤثر على العمليات الفيزيائية في النجوم النيوترونية وحجمها.
“هذه هي الملاحظة الأكثر مباشرة لجلد النيوترون. نحن نعثر على ما نسميه معادلة الحالة الصلبة – ضغط أعلى من المتوقع بحيث يصعب ضغط هذه النيوترونات في النواة. وهكذا ، وجدنا أن الكثافة داخل النواة أقل قليلاً مما كان متوقعًا ، “قال باشكي.
“نحن بحاجة إلى معرفة محتوى النجم النيوتروني ومعادلة الحالة ، ومن ثم يمكننا التنبؤ بخصائص هذه النجوم النيوترونية ، “قال كومار. “لذا ، فإن ما نساهم به في المجال بهذا القياس لنواة الرصاص يسمح لك باستقراء أفضل لخصائص النجوم النيوترونية.”
معادلة الحالة الصارمة بشكل غير متوقع التي تنطوي عليها نتيجة PREx لها روابط عميقة بالملاحظات الأخيرة للنجوم النيوترونية المتصادمة التي أجراها مرصد موجات الجاذبية بالليزر الحائز على جائزة نوبل ، أو ليغو، تجربة – قام بتجارب. LIGO هو مرصد فيزيائي واسع النطاق تم تصميمه للكشف موجات الجاذبية.
“عندما تبدأ النجوم النيوترونية في الدوران حول بعضها البعض ، فإنها تصدر موجات جاذبية تم الكشف عنها بواسطة ليجو. ومع اقترابهم في الجزء الأخير من الثانية ، فإن جاذبية أحد النجوم النيوترونية تجعل النجم النيوتروني الآخر على شكل قطرة دمعة – يصبح في الواقع مستطيلًا مثل كرة القدم الأمريكية. إذا كان الجلد النيوتروني أكبر ، فهذا يعني شكلًا معينًا لكرة القدم ، وإذا كان الجلد النيوتروني أصغر ، فهذا يعني شكلًا مختلفًا لكرة القدم. وقال كومار: “شكل كرة القدم يقاس بواسطة ليجو”. “تجربة LIGO وتجربة PREx فعلت أشياء مختلفة جدًا ، لكنهما مرتبطان بهذه المعادلة الأساسية – معادلة حالة المادة النووية.”
المرجع: “التحديد الدقيق لسماكة جلد النيوترون لـ 208الرصاص من خلال انتهاك التكافؤ في تشتت الإلكترون “بقلم D. Adhikari et al. (PREX Collaboration) ، 27 أبريل 2021 ، رسائل المراجعة البدنية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.172502
يشمل التعاون التجريبي PREx-II 13 دكتوراه. طلاب وسبعة مشاركين في أبحاث ما بعد الدكتوراه ، بالإضافة إلى أكثر من 70 عالمًا آخر من حوالي 30 مؤسسة.
تم دعم هذا العمل من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة والمؤسسة الوطنية للعلوم ومجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC) والمعهد الإيطالي Nucleare (INFN).
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
