是預測的兩倍！鉛原子核中子皮厚度驚人 可能表明中子星體積比預期的要大
研究人員利用托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置轟擊鉛核電子。
圖片來源：DOE JEFFERSON LAB
關于鉛你了解多少？近日，一項發(fā)表于《物理評論快報》的新研究發(fā)現(xiàn)，鉛原子核中子皮的厚度驚人。研究人員發(fā)現(xiàn)，鉛原子核外側中子層厚度是物理學家認為的兩倍。這一研究結果或表明中子星，即超新星爆炸后留下的超致密球體，可能比一般理論預測的更堅硬、體積更大。
原子核由質子和中子組成，它們被強大的核力（使核子組成原子核的作用力）黏在一起，其外圍由一層純中子組成的皮包裹。
用托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置進行鉛（Pb）半徑實驗（PREX）的核物理學家，現(xiàn)在已經測量出了這層中子皮的厚度。
實驗中，研究人員將大量電子從208Pb（Pb最常見的同位素，它有82個質子和126個中子）的原子核上彈回。帶負電荷的電子主要通過電磁力與帶正電荷的質子相互作用，電磁力使電子偏轉。通過這種電磁散射，其他物理學家先前測量了208Pb核中質子的分布，發(fā)現(xiàn)它的半徑延伸到5.50費米（1費米等于百萬分之一納米）。
為了探測中子，PREX中，物理學家利用了電子可在（與電磁力相比）微弱的核力下與質子和中子相互作用的性質。這種微弱核力的強度取決于入射的電子是向右旋轉（就像右撇子四分衛(wèi)扔出的足球）還是向左旋轉。這種慣性旋轉的行為使得研究人員能夠檢測到微弱核力的影響。
研究人員向鉛原子核發(fā)射一束電子，幾乎所有電子都以相同的方式旋轉，研究人員測量了它們以特定角度偏轉的概率，然后，翻轉電子，使其向相反方向旋轉，并尋找兩個偏轉電子電流中百萬分之一的差異。這種微小的不對稱性可以表明微弱核力的作用，不對稱性的大小可以揭示中子的空間分布。
研究人員觀察到的不對稱性表明鉛原子核的中子皮厚度為0.28費米（誤差約為0.07費米）。這一測量結果與PREX團隊在2012年報告的先前測量結果非常吻合，但新數(shù)據(jù)將不確定性降低了一半。此外，更精確的發(fā)現(xiàn)表明，208Pb的中子皮厚度大約是物理學家此前預測厚度的兩倍。
這迫使物理學家開始審視自己基于此的一些假設，比如中子星的大小。
這是實驗主義者的夢想，”馬薩諸塞大學阿默斯特分校的物理學家、PREX團隊的共同發(fā)言人Krishna Kumar說。
佛羅里達州立大學核理論學家Jorge Piekarewicz解釋說，盡管原子核的密度比中子星低幾倍，但前者可用以對后者進行推斷。更厚的中子皮意味著中子星的可壓縮性比許多理論預測的要小，那么中子星體積可能比此前預測的要大。
在近日發(fā)表于《物理評論快報》的另一篇論文中，Piekarewicz及其同事計算出，PREX的研究結果意味著一顆質量為太陽1.4倍的普通中子星的半徑在13.25到14.25公里之間。而，此前大多數(shù)理論得出的估計值約為10公里。
但也有學者對上述發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度。
對此，密歇根州立大學核理論學家Witold Nazarewicz表示，擔心PREX結果的天體物理意義為時尚早。他指出，研究小組只測量了電子散射的不對稱性，將不對稱性轉化為中子皮厚度的理論也存在不確定性。“研究小組獲得的不對稱性數(shù)值也可能與Pb原子核其他性質的測量結果相沖突。”
但無論如何，PREX的研究結果可能會促使核物理學家和天體物理學家重新審視原子核和中子星之間的理論聯(lián)系。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.172503
