S. V. Pineda et al. / Physical Review Letters, 2021
Физики нашли толщину нейтронного слоя на поверхности ядра никеля, сравнив зарядовые радиусы ядер 54Ni и 54Fe. Это значение связано с величиной энергии обменного взаимодействия в ядерной материи, поэтому и важно для понимания физики тяжелых атомных ядер и нейтронных звезд. Результаты эксперимента достаточно хорошо совпали с данными, полученными в предыдущих лабораторных экспериментах, и данными наблюдений за слиянием пары нейтронных звезд. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Нуклоны в ядрах атомов распределены неравномерно. Особенно сильно этот эффект проявляется для ядер, в которых число нейтронов существенно превышает число протонов. В этом случае на поверхности ядра образуется избыток нейтронов, который называется «нейтронной кожей». Толщина этого слоя составляет несколько десятых фемтометра. Радиус самого ядра — в несколько десятков раз больше. Например, для хорошо исследованного с помощью рассеяния поляризованных электронов ядра свинца 208Pb эти величины равны приблизительно 0,3 и 6,7 фемтометров, соответственно, а радиус нейтрона — 0,8 фемтометра.
Толщина нейтронной кожи связана с фундаментальным для ядерной физики параметром — величиной обменного вклада в энергию связи нуклонов в ядре. Существование этого вклада связано с тем, что нуклоны — это фермионы, поэтому два нуклона одного типа не могут занять одно и то же квантовое состояние. Поэтому если количество протонов и нейтронов в ядре разное и они занимают разное число энергетических уровней, то добавление в ядро нейтрона не эквивалентно добавлению протона. От величины обменного взаимодействия между нуклонами зависит форма и размер тяжелых ядер, в которых нейтронов существенно больше, чем протонов. Кроме того, оно влияет на вид уравнения состояния вещества нейтронной звезды.
Экспериментально измерить толщину нейтронной кожи, которая равна разности среднеквадратичных радиусов нейтронного и протонного распределений, очень сложно. Зарядовый радиус ядра, определяемый протонами, достаточно просто измерить в экспериментах по рассеянию заряженных частиц на ядрах. Незаряженные нейтроны не влияют на результаты таких экспериментов, а потому физики используют другие методы для нахождения нейтронного распределения. Кроме поляризационных экспериментов, это и эксперименты с антипротонными атомами, и измерение сечения фоторождения пионов при взаимодействии электронов с ядрами, и астрономические наблюдения за слиянием нейтронных звезд.
Теперь группа физиков из Германии и США под руководством Алекса Брауна (Alex Brown) из Мичиганского государственного университета определила толщину нейтронной кожи ядра никеля 54Ni, измерив его зарядовый радиус и сравнив его с зарядовым радиусом зеркального ядра железа 54Fe. Зеркальными называются ядра, имеющие одинаковое общее число нуклонов, но разное число протонов. В данном случае, в ядре никеля 28 протонов и 26 нейтронов, а в ядре железа — наоборот. Эксперимент ученые проводили с помощью лазерной спектроскопии в Циклотронная лаборатории Университета штата Мичиган — в нем ядра никеля облучались лазерными лучами с длиной волны 352 нанометра.
Размеры зеркальных ядер почти одинаковы из-за одинакового количества нуклонов, так что толщина нейтронной кожи более богатого нейтронами ядра равна разности зарядовых радиусов двух зеркальных ядер. Измеренный в данном исследовании зарядовый радиус 54Ni оказался равен приблизительно 3,737 фемтометра, тогда как известный из более ранних измерений зарядовый радиус 54Fe составляет около 3,688 фемтометра, так что толщина нейтронной кожи 54Ni равна 0,049 фемтометра.
Чтобы установить связь между толщиной нейтронной кожи и величиной обменного взаимодействия физики вынуждены использовать не очень точные феноменологические модели строения ядра. Из-за этого получающаяся величина обменного взаимодействия варьируется от 20 до 70 мегаэлектронвольт на один нейтрон. Этот результат, впрочем, существенно точнее ее оценки, сделанной исследователями по результатам измерений зарядовых радиусов зеркальных ядер кальция 36Ca и серы 36S, которая дала разброс от 5 до 70 мегаэлектронвольт.
Результат исследования хорошо совпал с величиной обменного взаимодействия, которая получается из наблюдений за слиянием двух нейтронных звезд (11–65 мегаэлектронвольт), но оказался достаточно далек от его величины, измеренной в поляризационном эксперименте (106±37 мегаэлектронвольт). Однако из-за достаточно широкого разброса в вычисленной величине обменного взаимодействия эта различие составляет всего около одного стандартное отклонение.
Величина обменного взаимодействия, измеренная с помощью сравнения зарядовых радиусов зеркальных ядер 54Ni и 54Fe. Красным обозначены результаты данной работы, черным — поляризационного эксперимента PREX-2, и извлеченные из астрономических наблюдений за слиянием двух нейтронных звезд (событие GW170817)
Исследователи надеются, что будущие лабораторные эксперименты и астрономические наблюдения позволят определить величину обменного взаимодействия более точно, уменьшив таким образом произвол в параметрах феноменологических моделей строения ядра и, соотвественно, улучшив наше понимание физики тяжелых ядер и физики нейтронных звезд.
