Físicos nucleares han realizado una nueva medición altamente precisa del grosor de la "piel" del neutrón que abarca el núcleo atómico del plomo.
El resultado, que reveló un espesor de piel de neutrones de 0,28 millonésimas de nanómetro, tiene importantes implicaciones para la estructura y el tamaño de las estrellas de neutrones, que puede ser mayor de lo pensado, según sugiere esta investigación, publicada en 'Physical Review Letters'.
Los protones y neutrones que forman el núcleo en el corazón de cada átomo del universo ayudan a determinar la identidad y las propiedades de cada átomo. Los físicos nucleares están estudiando diferentes núcleos para aprender más sobre cómo actúan estos protones y neutrones dentro del núcleo. La colaboración del Experimento Lead Radius, llamada PREx, está estudiando los detalles finos de cómo los protones y neutrones se distribuyen en los núcleos de plomo.
"La pregunta es acerca de dónde están los neutrones en el plomo. El plomo es un núcleo pesado, hay neutrones adicionales, pero en lo que respecta a la fuerza nuclear, una mezcla igual de protones y neutrones funciona mejor", dijo Kent Paschke, profesor de la Universidad de Virginia y co-portavoz del experimento, en un comunicado.
Paschke explicó que los núcleos ligeros, aquellos con solo unos pocos protones, generalmente tienen el mismo número de protones y neutrones en su interior. A medida que los núcleos se vuelven más pesados, necesitan más neutrones que protones para mantenerse estables. Todos los núcleos estables que tienen más de 20 protones tienen más neutrones que protones. Por ejemplo, el plomo tiene 82 protones y 126 neutrones. Medir cómo se distribuyen estos neutrones adicionales dentro del núcleo es una entrada clave para comprender cómo se unen los núcleos pesados.
"Los protones en un núcleo de plomo están en una esfera, y hemos descubierto que los neutrones están en una esfera más grande a su alrededor, y lo llamamos piel de neutrones", dijo Paschke en un comunicado.
El resultado del experimento PREx, publicado en Physical Review Letters en 2012, proporcionó la primera observación experimental de esta piel de neutrones utilizando técnicas de dispersión de electrones. Tras ese resultado, la colaboración se propuso realizar una medición más precisa de su espesor en PREx-II. La medición se llevó a cabo en el verano de 2019 utilizando la instalación del acelerador de haz de electrones continuo (CEBAF). Este experimento, como el primero, midió el tamaño medio del núcleo principal en términos de sus neutrones.
Los neutrones son difíciles de medir, porque muchas de las sondas sensibles que los físicos usan para medir partículas subatómicas se basan en medir la carga eléctrica de las partículas a través de la interacción electromagnética, una de las cuatro interacciones en la naturaleza. PREx hace uso de una fuerza fundamental diferente, la fuerza nuclear débil, para estudiar la distribución de neutrones.
En el experimento, un haz de electrones controlado con precisión fue enviado a estrellarse contra una delgada hoja de plomo enfriado criogénicamente. Estos electrones giraban en su dirección de movimiento.
Los electrones en el haz interactuaron con los protones o neutrones del objetivo principal, ya sea a través de la interacción electromagnética o débil. Si bien la interacción electromagnética es simétrica en espejo, la interacción débil no lo es. Eso significa que los electrones que interactuaron a través del electromagnetismo lo hicieron independientemente de la dirección de giro de los electrones, mientras que los electrones que interactuaron a través de la interacción débil lo hicieron preferentemente con más frecuencia cuando el giro estaba en una dirección frente a la otra.
"Usando esta asimetría en la dispersión, podemos identificar la fuerza de la interacción, y eso nos dice el tamaño del volumen ocupado por los neutrones. Nos dice dónde se comparan los neutrones con los protones", dijo Krishna Kumar, co-portavoz del experimento y profesor de la Universidad de Massachusetts Amherst.
La medición requirió un alto grado de precisión para llevarse a cabo con éxito. A lo largo de la ejecución experimental, el giro del haz de electrones se invirtió de una dirección a su opuesto 240 veces por segundo, y luego los electrones viajaron casi una milla a través del acelerador CEBAF antes de colocarse con precisión en el objetivo.
"En promedio durante todo el recorrido, sabíamos dónde estaban los haces derecho e izquierdo, en relación entre sí, dentro de un ancho de 10 átomos", dijo Kumar.
Se recogieron y analizaron los electrones que se habían dispersado de los núcleos de plomo mientras los dejaban intactos. Luego, la colaboración PREx-II lo combinó con el resultado anterior de 2012 y las mediciones de precisión del radio de protones del núcleo principal, que a menudo se conoce como su radio de carga.
"El radio de carga es de aproximadamente 5,5 femtómetros. Y la distribución de neutrones es un poco mayor que eso, alrededor de 5,8 femtómetros, por lo que la piel del neutrón es de 0,28 femtómetros, o aproximadamente 0,28 millonésimas de nanómetro", dijo Paschke.
Los investigadores dijeron que esta cifra es más gruesa de lo que habían sugerido algunas teorías, lo que tiene implicaciones para los procesos físicos en las estrellas de neutrones y su tamaño.
"Esta es la observación más directa de la piel de los neutrones. Estamos encontrando lo que llamamos una ecuación de estado rígida: una presión más alta de la esperada, por lo que es difícil presionar estos neutrones en el núcleo. Y así, estamos encontrando que la densidad dentro del núcleo es un poco más baja de lo esperado", dijo Paschke.
