_ Îmbinarea experimentelor de fizică nucleară cu cele astronomice observații pentru a avansa în cercetarea ecuației de stat

Pentru majoritatea stelelor, stelele neutronice și găurile negre sunt locurile lor finale de odihnă. Când o stea supergigant rămâne fără combustibil, se extinde și apoi se prăbușește rapid pe ea însăși. Acest act creează o stea neutronică - un obiect mai dens decât soarele nostru înghesuit într-un spațiu de 13 până la 18 mile lățime. Într-un mediu stelar atât de puternic condensat, majoritatea electronilor se combină cu protoni pentru a forma neutroni, rezultând o minge densă de materie constând în principal din neutroni. Cercetătorii încearcă să înțeleagă forțele care controlează acest proces prin crearea de materie densă în laborator prin ciocnirea nucleelor ​​bogate în neutroni și luând măsurători detaliate.

O echipă de cercetare, condusă de William Lynch și Betty Tsang de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) - se concentrează pe învățarea despre neutroni în medii dense. Lynch, Tsang și colaboratorii lor au folosit 20 de ani de date experimentale de la instalațiile de accelerație și observații de stele neutroni pentru a înțelege modul în care particulele interacționează în materia nucleară într-o gamă largă de densități și presiuni. Echipa a vrut să determine modul în care raportul dintre neutroni și protoni influențează forțele nucleare dintr-un sistem. Echipa și-a publicat recent descoperirile în Nature Astronomy.

„În fizica nucleară, suntem adesea limitați la studierea sistemelor mici, dar știm exact ce particule sunt în sistemele noastre nucleare. Stelele ne oferă o oportunitate incredibilă, pentru că sunt sisteme mari în care fizica nucleară joacă un rol vital, dar nu știm cu siguranță ce particule sunt în interiorul lor”, a spus Lynch, profesor de fizică nucleară la FRIB și în cadrul Departamentului de Fizică și Fizică al Universității de Stat din Michigan (MSU). Astronomie.

„Sunt interesante, deoarece densitatea variază foarte mult în cadrul unor sisteme atât de mari. Forțele nucleare joacă un rol dominant în ele, dar știm relativ puțin despre acest rol.”

Când o stea cu o masă de 20-30 de ori mai mare decât cea a soarelui își epuizează combustibilul, se răcește, se prăbușește și explodează într-o supernova. După această explozie, doar materia din cea mai adâncă parte a interiorului stelei se unește pentru a forma o stea neutronică. Această stea neutronică nu are combustibil de ars și, în timp, își radiază căldura rămasă în spațiul înconjurător.

Oamenii de știință se așteaptă ca materia din miezul exterior al unei stele neutronice reci să fie aproximativ similară cu materia atomică. nuclee, dar cu trei diferențe: stelele neutronice sunt mult mai mari, sunt mai dense în interiorul lor și o parte mai mare a nucleilor lor sunt neutroni. În adâncul miezului interior al unei stele neutronice, compoziția materiei stelelor neutronice rămâne un mister.

„Dacă experimentele ar putea oferi mai multe îndrumări cu privire la forțele care acționează în interiorul lor, am putea face predicții mai bune ale acestora. compoziția interioară și a tranzițiilor de fază din interiorul lor Stelele neutronice reprezintă o mare oportunitate de cercetare pentru a combina aceste discipline”, a spus Lynch.

Facilitații de accelerare precum FRIB îi ajută pe fizicieni să studieze modul în care particulele subatomice interacționează în condiții exotice care sunt mai comune. în stele neutronice. Când cercetătorii compară aceste experimente cu observațiile de stele neutronice, ei pot calcula ecuația de stare (EOS) a particulelor care interacționează în medii dense și cu temperatură scăzută.

EOS descrie materia în condiții specifice și modul în care aceasta proprietățile se modifică odată cu densitatea. Rezolvarea EOS pentru o gamă largă de setări îi ajută pe cercetători să înțeleagă efectele forței nucleare puternice în obiectele dense, cum ar fi stelele neutronice, din cosmos. De asemenea, ne ajută să aflăm mai multe despre stelele neutronice pe măsură ce se răcesc.

„Este prima dată când strângem o mulțime de date experimentale pentru a explica ecuația de stat în aceste condiții, iar acest lucru este important”, a spus Tsang, profesor de știință nucleară la FRIB. „Eforturile anterioare au folosit teoria pentru a explica densitatea scăzută și cea de energie scăzută a materiei nucleare. Am vrut să folosim toate datele pe care le aveam la dispoziție din experiențele noastre anterioare cu acceleratoare pentru a obține o ecuație cuprinzătoare de stare.”

Cercetătorii care caută EOS îl calculează adesea la temperaturi mai ridicate sau la densități mai mici. Apoi, ei trag concluzii pentru sistem într-o gamă mai largă de condiții. Cu toate acestea, fizicienii au ajuns să înțeleagă în ultimii ani că un EOS obținut dintr-un experiment este relevant doar pentru o gamă specifică de densități.

Ca urmare, echipa a trebuit să strângă date dintr-o varietate de acceleratoare. experimente care au folosit diferite măsurători ale nucleelor ​​care se ciocnesc pentru a înlocui acele ipoteze cu date. „În această lucrare, am pus două întrebări”, a spus Lynch. „Pentru o anumită măsurătoare, ce densitate probează acea măsurătoare? După aceea, am întrebat ce ne spune acea măsurătoare despre ecuația de stare la acea densitate.”

În lucrarea sa recentă, echipa și-a combinat propria măsurătoare. experimente din instalațiile de accelerație din Statele Unite și Japonia. A strâns date din 12 constrângeri experimentale diferite și trei observații de stele neutronice. Cercetătorii s-au concentrat pe determinarea EOS pentru materia nucleară variind de la jumătate până la trei ori densitatea de saturație a nucleelor ​​- densitatea găsită la miezul tuturor nucleelor ​​stabile. Prin producerea acestui EOS cuprinzător, echipa a oferit noi repere pentru comunitățile mai mari de fizică nucleară și astrofizică pentru a modela mai precis interacțiunile materiei nucleare.

Echipa și-a îmbunătățit măsurătorile la densități intermediare pe care observațiile stelelor neutrone nu le oferă. prin experimente la Centrul GSI Helmholtz pentru Cercetarea Ionilor Grei din Germania, Centrul RIKEN Nishina pentru Știința bazată pe Accelerator din Japonia și Laboratorul Național de Ciclotroni Supraconductor (predecesorul FRIB). Pentru a permite măsurătorile cheie discutate în acest articol, experimentele lor au ajutat la finanțarea progreselor tehnice în achiziția de date pentru ținte active și camere de proiecție a timpului care sunt folosite în multe alte experimente din întreaga lume.

(Fluierul)