Les physiciens nucléaires ont fait un nouveau, mesure très précise de l'épaisseur de la "peau" de neutrons qui englobe le noyau de plomb dans des expériences menées au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie et qui vient d'être publiée dans Lettres d'examen physique . Le résultat, qui a révélé une épaisseur de peau de neutrons de 0,28 millionième de nanomètre, a des implications importantes pour la structure et la taille des étoiles à neutrons.

Les protons et les neutrons qui forment le noyau au cœur de chaque atome de l'univers aident à déterminer l'identité et les propriétés de chaque atome. Les physiciens nucléaires étudient différents noyaux pour en savoir plus sur la façon dont ces protons et neutrons agissent à l'intérieur du noyau. La collaboration Lead Radius Experiment, appelé PREx (d'après le symbole chimique du plomb, Pb), étudie les petits détails de la distribution des protons et des neutrons dans les noyaux de plomb.

"La question est de savoir où se trouvent les neutrons dans le plomb. Le plomb est un noyau lourd - il y a des neutrons supplémentaires, mais en ce qui concerne la force nucléaire, un mélange égal de protons et de neutrons fonctionne mieux, " dit Kent Paschke, professeur à l'Université de Virginie et co-porte-parole de l'expérience.

Paschke a expliqué que les noyaux légers, ceux qui ne contiennent que quelques protons, ont généralement un nombre égal de protons et de neutrons à l'intérieur. Au fur et à mesure que les noyaux s'alourdissent, ils ont besoin de plus de neutrons que de protons pour rester stables. Tous les noyaux stables qui ont plus de 20 protons ont plus de neutrons que de protons. Par exemple, le plomb a 82 protons et 126 neutrons. Mesurer comment ces neutrons supplémentaires sont distribués à l'intérieur du noyau est une donnée clé pour comprendre comment les noyaux lourds sont assemblés.

"Les protons dans un noyau de plomb sont dans une sphère, et nous avons constaté que les neutrons sont dans une plus grande sphère autour d'eux, et nous appelons cela la peau à neutrons, " dit Paschke.

Le résultat de l'expérience PREx, Publié dans Lettres d'examen physique en 2012, a fourni la première observation expérimentale de cette peau de neutrons en utilisant des techniques de diffusion d'électrons. Suite à ce résultat, la collaboration s'est attachée à faire une mesure plus précise de son épaisseur dans PREx-II. La mesure a été réalisée à l'été 2019 à l'aide de la Continuous Electron Beam Accelerator Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Cette expérience, comme le premier, mesuré la taille moyenne du noyau de plomb en termes de neutrons.

Les neutrons sont difficiles à mesurer, parce que bon nombre des sondes sensibles que les physiciens utilisent pour mesurer les particules subatomiques reposent sur la mesure de la charge électrique des particules par l'interaction électromagnétique, l'une des quatre interactions de la nature. PREx utilise une force fondamentale différente, la force nucléaire faible, étudier la distribution des neutrons.

"Les protons ont une charge électrique et peuvent être cartographiés à l'aide de la force électromagnétique. Les neutrons n'ont pas de charge électrique, mais par rapport aux protons, ils ont une grande charge faible, et donc si vous utilisez l'interaction faible, vous pouvez découvrir où se trouvent les neutrons. » a expliqué Paschke.

Dans l'expérience, un faisceau d'électrons contrôlé avec précision a été envoyé s'écraser sur une fine feuille de plomb refroidi par cryogénie. Ces électrons tournaient dans le sens de leur mouvement, comme une spirale sur une passe de football.

Les électrons du faisceau interagissaient avec les protons ou les neutrons de la cible principale via l'interaction électromagnétique ou faible. Alors que l'interaction électromagnétique est symétrique en miroir, l'interaction faible ne l'est pas. Cela signifie que les électrons qui ont interagi via l'électromagnétisme l'ont fait quelle que soit la direction de spin des électrons, tandis que les électrons qui interagissaient via l'interaction faible le faisaient préférentiellement plus souvent lorsque le spin était dans un sens par rapport à l'autre.

"En utilisant cette asymétrie dans la diffusion, nous pouvons identifier la force de l'interaction, et cela nous indique la taille du volume occupé par les neutrons. Il nous dit où les neutrons sont comparés aux protons." a déclaré Krishna Kumar, co-porte-parole de l'expérience et professeur à l'Université du Massachusetts à Amherst.

La mesure a nécessité un haut degré de précision pour être effectuée avec succès. Tout au long du parcours expérimental, le spin du faisceau d'électrons a été basculé d'une direction à l'autre 240 fois par seconde, puis les électrons ont parcouru près d'un mile à travers l'accélérateur CEBAF avant d'être précisément placés sur la cible.

"En moyenne sur l'ensemble du parcours, nous savions où étaient les faisceaux de droite et de gauche, l'un par rapport à l'autre, dans une largeur de 10 atomes, " dit Kumar.

Les électrons qui s'étaient dispersés sur les noyaux de plomb tout en les laissant intacts ont été collectés et analysés. Puis, la collaboration PREx-II l'a combiné avec le précédent résultat de 2012 et les mesures de précision du rayon protonique du noyau de plomb, qui est souvent appelé son rayon de charge.

"Le rayon de charge est d'environ 5,5 femtomètres. Et la distribution des neutrons est un peu plus grande que cela - environ 5,8 femtomètres, donc la peau de neutrons est de .28 femtomètres, soit environ 0,28 millionième de nanomètre, " a déclaré Paschke.

Les chercheurs ont déclaré que ce chiffre est plus épais que certaines théories ne l'avaient suggéré, ce qui a des implications pour les processus physiques dans les étoiles à neutrons et leur taille.

"C'est l'observation la plus directe de la peau des neutrons. Nous trouvons ce que nous appelons une équation d'état rigide - une pression plus élevée que prévu de sorte qu'il est difficile de presser ces neutrons dans le noyau. Et donc, nous constatons que la densité à l'intérieur du noyau est un peu plus faible que prévu, " dit Paschke.

"Nous avons besoin de connaître le contenu de l'étoile à neutrons et l'équation d'état, et alors nous pouvons prédire les propriétés de ces étoiles à neutrons, " dit Kumar. " Alors, ce que nous apportons sur le terrain avec cette mesure du noyau de plomb vous permet de mieux extrapoler aux propriétés des étoiles à neutrons."

L'équation d'état étonnamment rigide impliquée par le résultat PREx a des liens profonds avec les récentes observations d'étoiles à neutrons en collision faites par l'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser lauréat du prix Nobel, ou LIGO, expérience. LIGO est un observatoire de physique à grande échelle conçu pour détecter les ondes gravitationnelles.

"Alors que les étoiles à neutrons commencent à s'enrouler les unes autour des autres, ils émettent des ondes gravitationnelles qui sont détectées par LIGO. Et comme ils se rapprochent dans la dernière fraction de seconde, l'attraction gravitationnelle d'une étoile à neutrons transforme l'autre étoile à neutrons en une larme - elle devient en fait oblongue comme un ballon de football américain. Si la peau de neutrons est plus grande, alors cela signifie une certaine forme pour le football, et si la peau de neutrons était plus petite, cela signifie une forme différente pour le football. Et la forme du ballon est mesurée par LIGO, " a déclaré Kumar. " L'expérience LIGO et l'expérience PREx ont fait des choses très différentes, mais ils sont reliés par cette équation fondamentale - l'équation d'état de la matière nucléaire."