密歇根州立大学
科学家可以用一对镜像原子核的电荷半径作为研究中子星性质的一种方法
这副眼镜如图所示
信贷:稀有同位素束设施 大约20年前，密歇根州立大学的B
亚历克斯·布朗有一个想法，揭示了宇宙中一些最极端环境中一种基本但神秘的力量的作用
这些环境包括原子核和被称为中子星的天体，它们都是人类已知的密度最大的天体
相比之下，匹配中子星的密度需要将地球的全部质量挤压到斯巴达体育场大小的空间中
布朗的理论为连接原子核和中子星的特性奠定了蓝图，但是用实验搭建这座桥梁将是一项挑战
这需要数年时间，托马斯·杰斐逊国家加速器设施的独特能力
该设施，也被称为杰斐逊实验室，是一个美国
S
能源部科学办公室，或称能源部科学委员会，弗吉尼亚州国家实验室
因此，实验学家开始进行长达几十年的系列研究，而布朗基本上回到了他的其他项目
也就是说，直到2017年
就在那时，他说他开始考虑由他的同事基·南相野的团队在国家超导回旋加速器实验室(NSCL)以及不久的将来在稀有同位素束设施(FRIB)进行的漂亮的精密实验
FRIB是位于MSU的美国能源部SC用户设施，将于2022年初开始科学用户运行
FRIB大学和MSU大学物理和天文系的物理学教授布朗说:“你能想到新的想法真是太神奇了。”
这个新想法的目标和他早期的理论是一样的，但是它可以用所谓的“镜像原子核”来测试，以提供一条更快、更简单的到达目的地的路径
事实上，在10月10日
29日，该团队在《物理评论快报》杂志上发表了一篇论文，该论文基于一项历时几天的实验数据
这是在杰弗逊实验室花费数年时间获得的新数据之后发生的
“这相当不可思议，”布朗说
“你可以做几年才能运行的实验和几天才能得到非常相似结果的实验
" 需要明确的是，密歇根和弗吉尼亚的实验并不竞争
相反，杰弗逊实验室用户组织的成员和前任主席克里希纳·库马尔称这些实验“非常互补”
" “对这些测量结果进行详细的比较，将使我们能够测试我们的假设，并提高将sm全核物理学与超大型中子星物理学联系起来的鲁棒性，”库马尔说，他也是马萨诸塞州阿默斯特大学的Gluckstern物理学教授
“在这个广泛的主题上，实验和理论上取得的进展强调了杰佛逊实验室和NSCL能力的重要性和独特性，随着新的测量在FRIB进行，未来将带来更多这样的例子
" 这些项目也强调了理论家和实验家合作的重要性，尤其是在解决宇宙的基本奥秘时
正是这种合作在20年前开启了杰弗逊实验室的实验，正是这种合作将推动FRIB未来的发现
检查中子皮肤的镜子 讽刺的是，布朗并没有花太多时间研究这个故事的两个核心理论
布朗在他的职业生涯中已经发表了800多篇科学论文，那些激励了NSCL和杰弗逊实验室实验的论文与他的其他工作截然不同
布朗说:“我研究很多东西，这些都是非常孤立的论文。”
尽管如此，布朗还是很快分享了它们
“我在几个月内写了两篇论文
" 当布朗完成他2017年理论的草稿时，他立即与南相野分享了它
“我记得当我收到亚历克斯的电子邮件时，我正在参加一个会议，”FRIB大学的高级物理学家南相野说
“当我读到那篇论文时，我非常激动
" 兴奋来自于南相野的知识，即他的团队可以领导实验来测试论文的想法，以及理论对宇宙的影响
“这与中子星有关，作为一个实验主义者，这是如此令人兴奋，”南相野说
中子星比我们的太阳更大，但是它们只有曼哈顿岛那么大
研究人员可以对中子星的质量进行精确的测量，但是要获得它们直径的精确数字是一个挑战
更好地理解中子星内部的推力和拉力将会改进这些尺寸估计，这也是核物理的切入点
当一颗非常大的恒星变成超新星并爆炸，留下一个比我们的太阳还大的核心时，中子星就诞生了
这种巨大残余物的重力导致它自行坍塌
当恒星坍缩时，它也开始将其物质——组成它的物质——转化为中子
因此，“中子星
" 中子之间有一种力，称为强相互作用，这种力对抗重力，有助于阻止坍塌
这种力在原子核中也起作用，原子核由中子和称为质子的粒子组成
“我们当然知道重力
这没有问题，”布朗说
“但我们不太确定纯中子的强相互作用是什么
地球上没有纯中子的实验室，所以我们从我们在既有质子又有中子的原子核中看到的东西来推断
" 在原子核中，中子稍微突出一点，形成一层薄的、只含中子的层，延伸到质子之外
这被称为中子皮肤
测量中子皮肤使研究人员能够了解强大的力量，进而了解中子星
在杰弗逊实验室的实验中，研究人员向铅和钙原子核发射电子
基于电子如何从原子核散射或偏转，科学家可以计算中子皮大小的上限和下限
在NSCL实验中，研究小组需要测量质子在特定的镍核中占据多大的空间
这叫做电荷半径
特别是，研究小组检查了镍-54的电荷半径，镍-54是一种含有26个中子的镍原子核或同位素
(所有的镍同位素都有28个质子，那些有26个中子的被称为镍-54，因为这两个数字加起来是54
) 镍-54的特别之处在于，科学家们已经知道了它的镜像核铁-54的电荷半径，铁-54是一个有26个质子和28个质子的铁核
“一个原子核有28个质子和26个中子
另一方面，它被翻转了，”新研究论文的主要作者、南相野的研究生研究员斯凯·皮涅达说
通过减去电荷半径，研究人员有效地移除了质子，留下了那层薄薄的中子层
皮涅达说:“如果你取两个原子核的电荷半径之差，结果就是中子皮。”
为了测量镍-54的电荷半径，研究小组求助于它的光束冷却器和激光光谱学设备，简称BECOLA
利用BECOLA，实验学家将一束镍-54同位素与一束激光重叠
皮涅达说，根据光与同位素束的相互作用，斯巴达人可以测量镍的电荷半径
根据布朗早期的理论，杰弗逊实验室的科学家需要大约六万亿个电子来进行测量，也就是一万亿个粒子
使用新理论，研究人员需要数千个，也许数百万个原子核
这意味着曾经需要数年的测量可以被需要数天的实验所取代
建立在团队合作历史上的发现的未来 这项新的研究感觉就像从几个方面传递指挥棒
首先，杰弗逊实验室的实验正进入最后阶段，而FRIB准备继续探索
FRIB本身代表了接力赛的另一站
BECOLA开始在NSCL运营，并将继续在FRIB运营
每一条腿都建立在最后一条腿和跑步者共同努力的基础上
同样，这个公式并不新鲜
正是这一点让NSCL的一位理论家能够在弗吉尼亚的一个世界级实验室里启发和指导实验
然而，NSCL和FRIB的突出之处在于，用户设施与大学相连，让退伍军人和下一代领导人能够更快地互动和分享想法
“MSU是独一无二的，拥有NSCL和现在的FRIB
在大多数情况下，像这样的实验室不会整合到大学校园里，”南相野的博士后研究员、这篇新论文的合著者克里斯蒂安·柯尼格说
“这给了这里的每个人一个很好的机会
" 加入《物理评论快报》MSU团队的研究人员来自佛罗里达州立大学、德国阿姆斯塔德技术大学和德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心
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