Fysici hebben voor het eerst de extreem dunne ‘neutronenhuid’ van een atoom gemeten. De meting kan inzicht geven in de eigenschappen van neutronensterren.
De fysici, werkzaam voor de PREX-groep van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia, bestudeerden lood-208. Dat is een variant van lood – een zogeheten isotoop – met 82 protonen en 126 neutronen.
De kern van dit atoom is volgens fysici ‘dubbel magisch’. Binnen de kern zijn namelijk zowel de protonen als de neutronen netjes in schillen gerangschikt. Deze schillen houden het atoom relatief stabiel. Dat maakt het makkelijker om ermee te experimenteren. Daarom kozen de fysici bij hun neutronenhuidmeting voor lood-208.
Doordat deze isotoop veel meer neutronen dan protonen heeft, zitten de neutronen en protonen alleen in het midden van de kern door elkaar. Daaromheen zit een laagje met de overige neutronen.
Iets fundamenteels
Dankzij eerdere experimenten kennen we de dichtheid van het binnenste deel van de kern. De neutronenhuid wordt gevormd doordat dit binnenste zo compact is, dat sommige neutronen naar buiten worden gedrukt. Het meten van de dikte van deze neutronenlaag onthult de dichtheid van de hele kern.
‘Dit vertelt ons iets fundamenteels over hoe atoomkernen zijn samengesteld. Dat stukje informatie laat heel mooi zien hoe moeilijk het is om neutronen in materie te proppen als daar al een heleboel andere neutronen zijn. Oftewel: hoe moeilijk het is om materie nog compacter te maken’, zegt Kent Paschke van de Universiteit van Virginia, woordvoerder van de PREX-groep.
Neutronensterren
De onderzoekers maten de dikte van de neutronenhuid door eerst een lood-208-monster tussen twee diamanten samen te persen. Vervolgens bestookten ze dat met een krachtige straal elektronen. De manier waarop de elektronen van het lood ketsten, liet zien in welk deel van de kern de neutronen zich bevonden. De onderzoekers zagen dat de neutronenhuid ongeveer 0,28 femtometer dik is – 0,28 biljoenste van een millimeter. Dat is een heel klein beetje dikker dan fysici dachten.
Meer inzicht in deze fundamentele eigenschap van atoomkernen kan ons helpen de druk in neutronensterren te doorgronden. Deze objecten bestaan voornamelijk uit neutronen. Wellicht kunnen fysici dankzij de nieuwe kennis bepalen wat hun maximale grootte is.
‘De natuurkunde die verantwoordelijk is voor de huid van lood-208, is ook verantwoordelijk voor de grootte van een neutronenster’, zegt natuurkundige Jorge Piekarewicz van de Florida State University. ‘De zwaartekracht wil de neutronenster vermorzelen en er een zwart gat van maken. Iets anders houdt die ineenstorting tegen – datgene wat ook de neutronenhuid creëert.’
Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters.
