Zusammenführung kernphysikalischer Experimente und astronomischer Beobachtungen, um die Zustandsgleichungsforschung voranzutreiben

Für die meisten Sterne sind Neutronensterne und Schwarze Löcher ihre letzte Ruhestätte. Wenn einem Überriesen der Treibstoff ausgeht, dehnt er sich aus und kollabiert dann schnell in sich selbst. Durch diesen Vorgang entsteht ein Neutronenstern – ein Objekt, das dichter als unsere Sonne ist und in einem Raum von 13 bis 18 Meilen Breite zusammengepfercht ist. In einer so stark verdichteten Sternumgebung verbinden sich die meisten Elektronen mit Protonen zu Neutronen, was zu einer dichten Materiekugel führt, die hauptsächlich aus Neutronen besteht. Forscher versuchen, die Kräfte zu verstehen, die diesen Prozess steuern, indem sie im Labor durch die Kollision neutronenreicher Kerne dichte Materie erzeugen und detaillierte Messungen durchführen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von William Lynch und Betty Tsang an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) konzentriert sich auf die Erforschung von Neutronen in dichten Umgebungen. Lynch, Tsang und ihre Mitarbeiter nutzten 20 Jahre experimentelle Daten aus Beschleunigeranlagen und Neutronensternbeobachtungen, um zu verstehen, wie Teilchen in Kernmaterie unter einem breiten Spektrum an Dichten und Drücken interagieren. Das Team wollte herausfinden, wie das Verhältnis von Neutronen zu Protonen die Kernkräfte in einem System beeinflusst. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse kürzlich in Naturastronomie.

„In der Kernphysik beschränken wir uns oft auf die Untersuchung kleiner Systeme, aber wir wissen genau, welche Teilchen sich in unseren Kernsystemen befinden. Sterne bieten uns eine unglaubliche Chance, denn sie sind große Systeme, in denen die Kernphysik eine entscheidende Rolle spielt, wir aber nicht.“ „Wir wissen mit Sicherheit, welche Teilchen sich in ihrem Inneren befinden“, sagte Lynch, Professor für Kernphysik am FRIB und in der Abteilung für Physik und Astronomie der Michigan State University (MSU).

„Sie sind interessant, weil die Dichte innerhalb solch großer Systeme stark variiert. Nukleare Kräfte spielen in ihnen eine dominierende Rolle, über diese Rolle wissen wir jedoch vergleichsweise wenig.“

Wenn ein Stern mit einer 20- bis 30-fachen Sonnenmasse seinen Treibstoff verbraucht, kühlt er ab, kollabiert und explodiert in einer Supernova. Nach dieser Explosion verschmilzt nur die Materie im tiefsten Teil des Sterninneren zu einem Neutronenstern. Dieser Neutronenstern hat keinen Brennstoff zum Verbrennen und strahlt mit der Zeit seine verbleibende Wärme in den umgebenden Raum ab.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Materie im äußeren Kern eines kalten Neutronensterns in etwa der Materie in Atomkernen ähnelt, allerdings mit drei Unterschieden: Neutronensterne sind viel größer, sie sind in ihrem Inneren dichter und ein größerer Anteil ihrer Nukleonen sind Neutronen. Tief im inneren Kern eines Neutronensterns bleibt die Zusammensetzung der Neutronensternmaterie ein Rätsel.

„Wenn Experimente mehr Hinweise auf die Kräfte liefern könnten, die in ihrem Inneren wirken, könnten wir ihre innere Zusammensetzung und die Phasenübergänge in ihnen besser vorhersagen. Neutronensterne stellen eine großartige Forschungsmöglichkeit dar, diese Disziplinen zu kombinieren“, sagte Lynch.

Beschleunigeranlagen wie FRIB helfen Physikern dabei, zu untersuchen, wie subatomare Teilchen unter exotischen Bedingungen interagieren, die in Neutronensternen häufiger vorkommen. Wenn Forscher diese Experimente mit Neutronensternbeobachtungen vergleichen, können sie die Zustandsgleichung (EOS) von Teilchen berechnen, die in dichten Umgebungen mit niedriger Temperatur interagieren.

Das EOS beschreibt Materie unter bestimmten Bedingungen und wie sich ihre Eigenschaften mit der Dichte ändern. Die Lösung von EOS für ein breites Spektrum an Umgebungen hilft Forschern, die Auswirkungen der starken Kernkraft in dichten Objekten wie Neutronensternen im Kosmos zu verstehen. Es hilft uns auch, mehr über Neutronensterne zu erfahren, während sie abkühlen.

„Dies ist das erste Mal, dass wir so viele experimentelle Daten zusammengetragen haben, um die Zustandsgleichung unter diesen Bedingungen zu erklären, und das ist wichtig“, sagte Tsang, Professor für Nuklearwissenschaften am FRIB. „Frühere Versuche haben die Theorie verwendet, um die geringe Dichte und niedrige Energie der Kernmaterie zu erklären. Wir wollten alle Daten nutzen, die uns aus unseren früheren Erfahrungen mit Beschleunigern zur Verfügung standen, um eine umfassende Zustandsgleichung zu erhalten.“

Forscher, die das EOS suchen, berechnen es oft bei höheren Temperaturen oder niedrigeren Dichten. Anschließend ziehen sie Schlussfolgerungen für das System unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen. In den letzten Jahren haben Physiker jedoch erkannt, dass ein aus einem Experiment gewonnenes EOS nur für einen bestimmten Dichtebereich relevant ist.

Daher musste das Team Daten aus verschiedenen Beschleunigerexperimenten zusammentragen, die unterschiedliche Messungen kollidierender Kerne verwendeten, um diese Annahmen durch Daten zu ersetzen. „In dieser Arbeit haben wir zwei Fragen gestellt“, sagte Lynch. „Welche Dichte ermittelt diese Messung für eine bestimmte Messung? Danach fragten wir, was uns diese Messung über die Zustandsgleichung bei dieser Dichte sagt.“

In seiner aktuellen Arbeit kombinierte das Team eigene Experimente aus Beschleunigeranlagen in den USA und Japan. Es wurden Daten aus 12 verschiedenen experimentellen Randbedingungen und drei Neutronensternbeobachtungen zusammengetragen. Die Forscher konzentrierten sich auf die Bestimmung der EOS für Kernmaterie im Bereich der halben bis dreifachen Sättigungsdichte eines Kerns – der Dichte, die im Kern aller stabilen Kerne zu finden ist. Durch die Erstellung dieses umfassenden EOS lieferte das Team neue Maßstäbe für die größeren Gemeinschaften der Kernphysik und Astrophysik, um die Wechselwirkungen der Kernmaterie genauer zu modellieren.

Das Team verbesserte seine Messungen bei mittleren Dichten, die Neutronensternbeobachtungen nicht liefern, durch Experimente am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Deutschland, am RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Japan und am National Superconducting Cyclotron Laboratory (FRIBs Vorgänger). ). Um die in diesem Artikel besprochenen Schlüsselmessungen zu ermöglichen, haben ihre Experimente dazu beigetragen, technische Fortschritte bei der Datenerfassung für aktive Ziele und Zeitprojektionskammern zu finanzieren, die in vielen anderen Experimenten weltweit eingesetzt werden.