لمدة ثلاثة أشهر في عام 2019 ، قام الفيزيائيون بتفجير حزمة من الإلكترونات على ذرات الرصاص التي تم تثبيتها في مكانها بواسطة رقائق مصنوعة من الماس. كان الفريق يحاول تحديد سمك الجلد النيوتروني ، وهو غلاف النيوترونات ذات الشحنة المحايدة التي تحيط بالبروتونات الموجبة الشحنة في نواة ذرة الرصاص. نجحوا.
يبلغ حجم الجلد النيوتروني للرصاص -208 0.28 فيمتومتر – 0.28 تريليون جزء من المليمتر – حدد الفريق زيادة سماكة الجلد المقدرة بمقدار عُشر مقياس فيمتومتر مقارنة بالحسابات السابقة. هذا تحول كبير على النطاق الذري.
قال كينت باشكي ، الفيزيائي بجامعة فيرجينيا والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة ، في مكالمة هاتفية ، إن إجراء القياس كان يشبه إلى حد كبير “معرفة أنك حصلت على هذا النمر من ذيله”. استغرق الأمر ثلاثة أشهر من عمليات التشغيل المكثفة لليزر ، وانقطاع التيار الكهربائي ، ومراقبة النظام على مدار الساعة. لم يكن الفريق متأكدًا مما إذا كان سيتمكن من إكمال العمل في الأشهر الثلاثة التي حصلوا عليها. لكن في النهاية ، أظهر الماراثون على النطاق الذري قياسًا دقيقًا ، والذي أعاد تعريف فهمنا لحجم الجلد النيوتروني.
اعتمدت الحسابات السابقة للجلد على تقديرات وافتراضات مرسومة تقريبًا ؛ يأمل الباحثون أن يصبح هذا القياس الجديد مكونًا أساسيًا للملاحظات المستقبلية على كل من المقياسين النووي والنجمي. لقد قاموا بعملهم في مرفق مسرع شعاع الإلكترون المستمر في منشأة مسرع توماس جيفرسون الوطنية في نيوبورت نيوز ، فيرجينيا. القياس هو تتويج للعرض الثاني لتجربة Pb Radius ، أو PREX-II ، وتم نشر نتائج الفريق اليوم في Physical Review Letters.
قال المؤلف المشارك في الدراسة كريشنا كومار ، عالم الفيزياء النووية التجريبية بجامعة ماساتشوستس أمهيرست ، في مكالمة فيديو: “هذا القياس مثير للعالم لأنه يقوم بقياس نصف قطر النيوترون هذا بأقل افتراضات على الإطلاق”. “هذا ما يعيش العلماء التجريبيون من أجله.”
من خلال قياس كيفية تشتت الإلكترونات ذات اللفات المختلفة من نوى الرصاص ، تمكن الفريق من معرفة سمك الجلد النيوتروني ، وهو قياس كان من الصعب تحديده سابقًا لأن النيوترونات ليس لها شحنة كهربائية. لرسم حبة على سمك الجلد النيوتروني ، أجرى الفريق قياسات باستخدام القوة النووية الضعيفة ، بدلاً من القوة الكهرومغناطيسية التي تعرضها الإلكترونات والبروتونات بسهولة.
تم اختيار نظير الرصاص هذا ، الرصاص 208 ، نظرًا لحجمه وبنيته ؛ إنها أكبر نواة فائقة الاستقرار يعرفها علماء الفيزياء ، وربما الأهم من ذلك ، أنها “سحر” مضاعف ، مما يعني أن كلاً من البروتونات والنيوترونات تملأ غلافها المداري تمامًا.
قال باشكي: “الرصاص -208 مفيد بشكل خاص لأنه يقارب المادة النووية الموحدة”. “أنت بحاجة إلى تلك التقنيات النظرية لوصف الأشياء الكبيرة والثقيلة.”
آه ، الفيزياء ، مجال التطرف. في هذه الحالة ، فإن فحص جلد النيوترونات المحيطة بنواة الذرة له آثار على فهم النجوم النيوترونية ، وهي الأجسام الأكثر كثافة في كوننا إلى جانب الثقوب السوداء. النجوم النيوترونية هي النوى المنهارة للنجوم الميتة. إنها كثيفة لدرجة أن الخبراء ليسوا متأكدين تمامًا مما يكمن في جوهرهم. إنه تم اقتراحه أنها قد تكون مصدر الأكسيونات ، مرشح لشرح المادة المظلمة.
قال المؤلف المشارك للدراسة تشاك هورويتز ، عالم الفيزياء الفلكية بجامعة إلينوي ، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “إن ضغط المادة النيوترونية يجعل النجم النيوتروني في مواجهة الجاذبية ويمنعه من الانهيار إلى ثقب أسود”. وجدنا جلد نيوتروني سميك نسبيًا في الرصاص [lead]، وهذا يعني ضغطًا مرتفعًا ويشير إلى أن النجوم النيوترونية كبيرة نسبيًا “.
يكمن الأمل في سماكة الجلد النيوتروني الرصاصي في أن يفهم علماء الفيزياء الفلكية خصائص النجوم النيوترونية بشكل أفضل. تمت ملاحظة اصطدام النجوم النيوترونية من خلال موجات الجاذبية التي تولدها عمليات الاندماج ؛ نظرًا لأن النجوم النيوترونية مليئة بالمواد النووية بكثافة ، فإن نوىها تظل غامضة – يمكنها استضافة فيزياء جديدة ، في شكل حالات جديدة للمادة. في بعض الأحيان ، يمكن أن يخبرك فحص السلوكيات الصغيرة للجسيمات دون الذرية عن نجم أكثر من مجرد النظر إليه من خلال التلسكوب.
المزيد: يبلغ عرض النجم النيوتروني النموذجي 13.6 ميلًا فقط ، وفقًا للقياس الجديد فائق الدقة
