Neutronensterne auf die Erde bringen

Stellen Sie sich vor, Sie nehmen das gesamte Wasser im Michigansee – mehr als eine Billion Gallonen – und pressen es in einen 4-Gallonen-Eimer, wie Sie ihn in einem Baumarkt finden würden.

Ein kurzer Überblick über die Zahlen legt nahe, dass dies unmöglich sein sollte: Es sind zu viele Dinge und zu wenig Platz. Diese seltsame Dichte ist jedoch ein bestimmendes Merkmal von Himmelsobjekten, die als Neutronensterne bekannt sind. Diese Sterne sind nur etwa 20 Kilometer breit, halten aber dank extremer Physik mehr Masse als unsere Sonne.

MSU-Forscher Betty Tsang (links) und William Lynch (rechts)

Angeführt von Forschern aus Michigan State UniversityEine internationale Zusammenarbeit hat nun die kosmischen Bedingungen eines Neutronensterns auf der Erde nachgeahmt, um die extreme Wissenschaft besser erforschen zu können. Das Team teilte seine Ergebnisse im Journal mit. Das Team teilte seine Ergebnisse im Journal mit Physische Übersichtsbriefe am 19. April.

Für das Experiment entschied sich das Team für Zinn, um eine dichte, neutronenreiche Kernsuppe herzustellen, die die Umgebung von Neutronensternen besser nachahmt. Das Team beschleunigte einen Blechdosenstrahl auf fast zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit in Japan RIKEN Nishina Zentrum für beschleunigerbasierte Wissenschaft. Die Forschung wurde von der finanziert Büro für Kernphysik in dem US-Energieministerium Office of Scienceoder DOE-SC und die Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie – Japanoder MEXT, Japan.

Die Forscher schickten das Fassgefäß durch ein dünnes Zinnziel oder eine Folie, um gemeinsam Blechdosen zu schlagen. Die Kerne brechen und in einem Moment – einer Milliardstel Billionstel Sekunde – existiert das Wrack als eine superdichte Region von Kernbausteinen, die Protonen und Neutronen genannt werden. Obwohl diese Umgebung flüchtig ist, lebt sie lange genug, um seltene Partikel zu erzeugen, die Pionen genannt werden (ausgesprochen „pie-ons“ – das „pi“ stammt aus dem griechischen Buchstaben π).

Der Eindruck eines Künstlers zeigt zwei durchscheinende Kugeln, die Zinnkerne darstellen, die in einem Schauer bunter Scherben kollidieren und zersplittern. Inmitten dieser Scherben, die Protonen, Neutronen und ihre Cluster darstellen, befindet sich ein einzelner Bauer, der als eine weitere durchscheinende Kugel mit zwei kleineren Kugeln dargestellt ist, die Quarks darstellen. Bildnachweis: Erin O’Donnell / Seltene Isotopenstrahlungsanlage

Durch die Erstellung und Lokalisierung dieser Pfingstrosen ermöglicht das Team Wissenschaftlern, laufende Fragen zur Nuklearwissenschaft und zu Neutronensternen besser zu beantworten. Diese Arbeit kann Wissenschaftlern beispielsweise helfen, den Innendruck besser zu charakterisieren, der verhindert, dass Neutronensterne unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen und zu Schwarzen Löchern werden.

„Das Experiment, das wir durchgeführt haben, konnte nur in den Neutronensternen durchgeführt werden“, sagte Betty Tsang, Professorin für Nuklearwissenschaft und Forscherin an der Nationales supraleitendes Zyklotronlaboroder NSCL an der MSU.

Leider können Wissenschaftler keine Geschäfte in Neutronensternen errichten. Abgesehen von den Temperaturen und der Schwerkraft ist der nächste Neutronenstern etwa 400 Lichtjahre entfernt.

Es gibt jedoch einen anderen Ort im Universum, an dem Wissenschaftler Materie in solch unglaublicher Dichte sehen können. Es befindet sich in Labors für Teilchenbeschleuniger, in denen Wissenschaftler den Kern von Atomen oder Kernen zerkleinern können, um große Mengen an Kernmaterial in sehr kleine Mengen zu komprimieren.

Natürlich ist dies auch kein Kuchenlauf.

Eine Animation aus einer tatsächlichen Berechnung zeigt zwei Kugeln, die Bastler darstellen, die kollidieren und in rote, blaue und grüne Punkte explodieren, die Protonen, Neutronen bzw. die schwer fassbaren Pionen darstellen. Bildnachweis: Yong Jia Wang, Universität Huzhou, China

„Das Experiment ist sehr schwierig“, sagte Tsang. „Deshalb ist das Team so aufgeregt.“ Tsang und William Lynch, Professor für Kernphysik am Institut für Physik und Astronomie der MSU, leiten das spartanische Forscherkontingent an der internationales Team.

Um ihre gemeinsamen Ziele in dieser Studie zu erreichen, spielten die kooperierenden Institute jeweils ihre Stärken aus.

„Deshalb sammeln wir Mitarbeiter“, sagte Tsang. „Wir lösen Probleme, indem wir die Gruppe erweitern und Leute einladen, die wirklich wissen, was sie tun.“

Die MSU, Heimat des erstklassigen Nuklearphysikprogramms der USA, hat beim Bau des Pfanddetektors die Führung übernommen. Das Instrument namens SπRIT Zeitprojektionsraumwurde mit Mitarbeitern von gebaut Texas A & M University und RIKEN.

Der Teilchenbeschleuniger von RIKEN bot die Kraft und die knappen neutronenreichen Zinnkerne, um eine Umgebung zu schaffen, die an einen Neutronenstern erinnert. Forscher der Technische Universität Darmstadt, In Deutschland trugen die Zinnziele bei, die die strengen Anforderungen erfüllen mussten. Studenten, Mitarbeiter und Fakultäten anderer Institutionen in Asien und Europa halfen beim Aufbau des Experiments und bei der Analyse der Daten.

Dieses Experiment am RIKEN-Beschleuniger hat dazu beigetragen, das Bewusstsein für Energie und Dichte auf ein neues Niveau zu heben, aber es gibt immer noch viele Herausforderungen.

Wenn der Seltene Isotopenstrahlanlage, oder FRIB, wird im Jahr 2022 betriebsbereit sein, es verspricht auch, ein Hub von zu sein internationale Zusammenarbeit in der Nuklearwissenschaft. Und die Anlage wird in einzigartiger Weise ausgestattet sein, um weiterhin zu untersuchen, wie sich nukleare Systeme bei extremer Energie und Dichte verhalten.

„Wenn FRIB online geht, haben wir mehr Auswahl an Strahlen und können viel genauere Messungen durchführen“, sagte Tsang. „Und es wird uns helfen, das Innere der Neutronensterne besser zu verstehen und Dinge zu entdecken, die noch faszinierender und überraschender sind.“

Diese Arbeit wurde vom DOE-SC unter den Zuschüssen Nr. DOE DESC0004835, DOE DESC0014530 und DOE-SC0021235.

Das US-Energieministerium Office of Science ist der größte Befürworter der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und befasst sich mit einigen der wichtigsten Herausforderungen von heute. Für weitere Informationen besuchen Sie energy.gov/science.

Wolfram Müller
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