Os fa­sicos nucleares fizeram uma medição nova e altamente precisa da espessura da "pele" do naªutron que engloba o núcleo principal em experimentos conduzidos no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos Estados Unidos e recanãm-publicados na Physical Review Letters . O resultado, que revelou uma espessura de pele de naªutrons de 0,28 milionanãsimos de nana´metro, tem implicações importantes para a estrutura e o tamanho das estrelas de naªutrons.

Os pra³tons e naªutrons que formam o núcleo no coração de cada a¡tomo do universo ajudam a determinar a identidade e as propriedades de cada a¡tomo. Os fa­sicos nucleares estãoestudando diferentes núcleos para aprender mais sobre como esses pra³tons e naªutrons agem dentro do núcleo. A colaboração Lead Radius Experiment, chamada PREx (após o sa­mbolo qua­mico para chumbo, Pb), estãoestudando os detalhes de como pra³tons e naªutrons são distribua­dos em núcleos de chumbo.

"A questãoésobre onde os naªutrons estãono chumbo. O chumbo éum núcleo pesado - hánaªutrons extras, mas no que diz respeito a  força nuclear , uma mistura igual de pra³tons e naªutrons funciona melhor", disse Kent Paschke, professor da a Universidade da Virga­nia e coporta-voz do experimento.

Paschke explicou que os núcleos leves, aqueles com apenas alguns pra³tons, normalmente tem o mesmo número de pra³tons e naªutrons em seu interior. Amedida que os núcleos ficam mais pesados, eles precisam de mais naªutrons do que pra³tons para permanecer esta¡veis. Todos os núcleos esta¡veis ​​com mais de 20 pra³tons tem mais naªutrons do que pra³tons. Por exemplo, o chumbo tem 82 pra³tons e 126 naªutrons. Medir como esses naªutrons extras são distribua­dos dentro do núcleo éuma informação fundamental para entender como os núcleos pesados ​​são reunidos.

"Os pra³tons em um núcleo de chumbo estãoem uma esfera, e descobrimos que os naªutrons estãoem uma esfera maior ao seu redor, e chamamos isso de pele de naªutron ", disse Paschke.

O resultado do experimento PREx, publicado na Physical Review Letters em 2012, forneceu a primeira observação experimental dessa pele de naªutrons usando técnicas de espalhamento de elanãtrons. A partir desse resultado, a colaboração se propa´s a fazer uma medição mais precisa de sua espessura no PREx-II. A medição foi realizada no vera£o de 2019 usando o Continuous Electron Beam Accelerator Facility, uma instalação do DOE Office of Science. Este experimento, como o primeiro, mediu o tamanho manãdio do núcleo principal em termos de seus naªutrons.

Os naªutrons são difa­ceis de medir, porque muitas das sondas sensa­veis que os fa­sicos usam para medirpartículas subatômicas dependem da medição da carga elanãtrica daspartículas por meio da interação eletromagnanãtica, uma das quatro interações na natureza. PREx faz uso de uma força fundamental diferente, a força nuclear fraca, para estudar a distribuição dos naªutrons.

“Os pra³tons tem uma carga elanãtrica e podem ser mapeados usando a força eletromagnanãtica. Os naªutrons não tem carga elanãtrica, mas em comparação com os pra³tons, eles tem uma grande carga fraca e, portanto, se vocêusar a interação fraca, podera¡ descobrir onde estãoos naªutrons. " explicou Paschke.

No experimento, um feixe de elanãtrons precisamente controlado foi enviado colidindo com uma fina folha de chumbo resfriado criogenicamente. Esses elanãtrons giravam em sua direção de movimento, como uma espiral em um passe de futebol.

Os elanãtrons no feixe interagiam com os pra³tons ou naªutrons do alvo principal, seja por meio da interação eletromagnanãtica ou fraca. Enquanto a interação eletromagnanãtica ésimanãtrica em espelho, a interação fraca não anã. Isso significa que os elanãtrons que interagiram via eletromagnetismo o fizeram independentemente da direção do spin dos elanãtrons, enquanto os elanãtrons que interagiram por meio da interação fraca preferencialmente o fizeram com mais frequência quando o spin estava em uma direção em relação a  outra.

"Usando essa assimetria no espalhamento, podemos identificar a força da interação, e isso nos diz o tamanho do volume ocupado pelos naªutrons. Nos diz onde os naªutrons são comparados aos pra³tons." disse Krishna Kumar, co-porta-voz do experimento e professor da Universidade de Massachusetts Amherst.

A medição exigiu um alto grau de precisão para ser executada com sucesso. Ao longo da corrida experimental, o spin do feixe de elanãtrons foi invertido de uma direção para sua oposta 240 vezes por segundo, e então os elanãtrons viajaram quase uma milha atravanãs do acelerador CEBAF antes de serem precisamente colocados no alvo.

"Em média, ao longo de toda a execução, saba­amos onde os feixes direito e esquerdo estavam, em relação um ao outro, dentro de uma largura de 10 a¡tomos", disse Kumar.

Os elanãtrons que se espalharam pelos núcleos principais enquanto os deixavam intactos foram coletados e analisados. Em seguida, a colaboração PREx-II combinou-o com o resultado anterior de 2012 e medições de precisão do raio do pra³ton do núcleo principal , que muitas vezes éreferido como seu raio de carga.

"O raio de carga éde cerca de 5,5 femta´metros. E a distribuição de naªutrons éum pouco maior do que isso - cerca de 5,8 femta´metros, então a pele de naªutrons tem 0,28 femta´metros, ou cerca de 0,28 milionanãsimos de nana´metro", disse Paschke.

Os pesquisadores disseram que esse número émais espesso do que algumas teorias sugeriram, o que tem implicações para os processos fa­sicos em estrelas de naªutrons e seu tamanho.

"Esta éa observação mais direta da pele de naªutrons. Estamos descobrindo o que chamamos de equação de estado ra­gida - pressão mais alta do que o esperado, de modo que édifa­cil espremer esses naªutrons no núcleo. E assim, estamos descobrindo que a densidade dentro do núcleo éum pouco menor do que o esperado ", disse Paschke.

"Precisamos saber o conteaºdo da estrela de naªutrons e a equação de estado, e então podemos prever as propriedades dessas estrelas de naªutrons", disse Kumar. "Então, o que estamos contribuindo para o campo com essa medição do núcleo lider permite que vocêextrapole melhor para as propriedades das estrelas de naªutrons."

A equação de estado inesperadamente ra­gida impla­cita no resultado do PREx tem conexões profundas com as observações recentes de estrelas de naªutrons em colisão feitas pelo experimento do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interfera´metro a Laser, ou LIGO, vencedor do Praªmio Nobel. LIGO éum observata³rio de física em grande escala que foi projetado para detectar ondas gravitacionais.

"Amedida que as estrelas de naªutrons comea§am a girar em torno umas das outras, elas emitem ondas gravitacionais que são detectadas pelo LIGO. E quando se aproximam na última fração de segundo, a atração gravitacional de uma estrela de naªutrons transforma a outra estrela de naªutrons em uma la¡grima - na verdade, torna-se alongado como uma bola de futebol americano. Se a pele de naªutrons for maior, isso significa uma determinada forma para a bola de futebol, e se a pele de naªutrons for menor, significa uma forma diferente para a bola de futebol. E a forma da bola de futebol émedido pelo LIGO ", disse Kumar. "O experimento LIGO e o experimento PREx fizeram coisas muito diferentes, mas estãoconectados por esta equação fundamental - a equação de estado da matéria nuclear."