鉛について何を言いたいかというと、中性子の皮が驚くほど厚いのです。実際、新しい研究によると、鉛原子核の外側にある中性子の層は、物理学者が考えていたよりも 2 倍の厚さです。一見難解な結果は、この世のものとは思えない意味合いを持つ可能性があります:中性子星 (星が超新星爆発で爆発したときに残される超高密度の球体) は、理論が一般的に予測するよりも硬く、大きい可能性があります。
中性子星を研究しているアムステルダム大学の天体物理学者であるアンナ・ワッツは、「これは素晴らしい実験的成果です。 「何年も何年も話されてきましたが、ついにそれが実現するのを見るのはとてもクールです.」
原子核は、陽子と中性子がいわゆる強い核力によってくっついたものです。一般に、中性子は陽子より数が多い。ただし、陽子と中性子の数が大きく不均衡になると、核の内部エネルギーが増加し、不安定になる可能性があるため、それほど多くはありません。理論では一般に、大きな原子核は、純粋な中性子の表皮に囲まれた陽子と中性子のほぼ等しい混合物で構成されると予測されています。
トーマス・ジェファーソン国立加速器施設の鉛 (Pb) 半径実験 (PREX) の核物理学者が現在測定しているのは、その皮膚の厚さです。それを行うために、彼らは、82個の陽子と126個の中性子を持つ元素の最も一般的な同位体である鉛208の原子核から大量の電子を跳ね返しました。負に帯電した電子は、正に帯電した陽子と主に電子を偏向させる電磁力によって相互作用します。このような電磁散乱によって、他の物理学者は以前に鉛 208 核内の陽子の分布を測定し、半径 5.50 フェルミ (フェルミは 1 ナノメートルの 100 万分の 1) まで広がっていることを発見しました。
中性子を調べるために、PREX の物理学者は、電子が弱い核力を介して陽子と中性子の両方と相互作用できるという事実を利用しました。電磁力に比べると微弱ですが、その強さは、入ってくる電子が右利きのクォーターバックが投げるフットボールのように右に回転するか、左に回転するかによって異なります。その利き手により、PREX の研究者は弱い力の影響を検出することができました。
研究者たちは、ほぼすべてが同じように回転する電子ビームを鉛原子核に向けて発射し、それらが特定の角度で偏向される確率を測定しました。次に、逆方向に回転するように電子を反転させ、偏向した電子の流れの 100 万分の 1 の差を探しました。その小さな非対称性は弱い力の影響を示し、その大きさは中性子の空間的な広がりを明らかにします。物理学者は、電子のスピンを毎秒 240 回反転させ、ビームのエネルギー、強度、または軌道を変更しないように細心の注意を払いました。
観測された非対称性は、鉛原子核が 0.28 フェルミの厚さの中性子スキンを持っていることを意味し、0.07 ギブ オア テイク 0.07 である、と PREX の研究者は今日 Physical Review Letters で報告しています。 .その測定値は、2012 年に PREX チームによって報告された以前の測定値とうまく一致していますが、新しいデータは不確実性を半分に減らします。より正確な発見は、鉛 208 の中性子スキンが、理論家が予測した厚さの約 2 倍であり、他のあまり直接的ではない実験が示したものであることを示唆しています。マサチューセッツ大学アマースト校の物理学者であり、PREX チームの共同スポークスマンであるクリシュナ クマールは、次のように述べています。
これらの仮定のいくつかは、最終的には中性子星の性質に関係しています。原子核は中性子星より数倍密度が低いが、前者は中性子星についての推論に使用できる、とフロリダ州立大学の原子核理論家であるホルヘ・ピエカレウィッツは説明する。特に、中性子スキンが厚いということは、中性子星が多くの理論で予測されているよりも圧縮しにくいことを意味し、それによって中性子星が大きくなるということです。実際、今日 Physical Review Letters に掲載された別の論文では、 、Piekarewicz と同僚は、PREX の結果は、太陽の 1.4 倍の質量を持つありふれた中性子星の半径が 13.25 ～ 14.25 キロメートルであることを示していると計算しています。ほとんどの理論では、10 キロメートルに近い推定値が得られます。
ジャンボ サイズは、メリーランド大学カレッジ パーク校の天文学者であり、国際宇宙ステーションの X 線望遠鏡である NASA の中性子星内部構成探査機 (NICER) を扱っている Cole Miller にとってもっともらしいものです。 NICER の研究者は、回転する中性子星からの放射のスペクトルを使用して、そのサイズを推定し、表面の不規則性をマッピングします。この装置は、太陽の 1.4 倍と 2.1 倍の質量を持つ 2 つの中性子星からの放射を測定し、両方とも半径約 13 キロメートルであることを発見しました。
しかし、ミラーは、重力波検出器からのデータは、より小さく、より柔らかい中性子星を支持する可能性があると指摘しています。 2017 年、米国のレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) とイタリアの Virgo 検出器の物理学者は、2 つの中性子星が互いに渦巻いて合体し、おそらくブラック ホールを形成することを発見しました。中性子星が比較的大きくて固い場合、合体前に重力によって互いに変形し始めていたはずです、とミラーは言います。しかし、LIGO と Virgo の研究者は、信号にそのような潮汐変形の証拠は見られなかったと彼は言います。
しかし、ミシガン州立大学の核理論学者 Witold Nazarewicz は、PREX の結果が天体物理学に与える影響について心配するのは時期尚早だと述べています。彼は、チームが測定するのは電子散乱の非対称性のみであり、研究者がそれを中性子スキンの厚さに変換するために使用する理論には独自の不確実性があると述べています。また、チームが得た非対称性の値は、鉛核の他の特性の測定値とすでに矛盾している可能性がある、と Nazarewicz は言う。 「すべてがリード 208 と一致しているかどうか知りたいです。」
それでも、驚くべき PREX の結果は、原子核と中性子星との間の理論上のつながりを再検討するように核物理学者や天体物理学者に拍車をかける可能性が高い、と Piekarewicz は言う。 「これはコミュニティにとって心理的な衝撃です。」
