Обычно ядра атомов представляют в виде шариков из сбившихся в кучу нейтронов и протонов, которые равномерно распределены по всему объему. Но такое представление не совсем корректно, когда речь идет о богатых нейтронами ядрах, в которых число нейтронов существенно превышает число протонов. Особенно такая ситуация характерна для тяжелых ядер: избыток нейтронов в них приводит к тому, что нейтроны и протоны оказываются по-разному связаны с ядром. В результате в некоторых ядрах на поверхности ядра появляется избыток нейтронов: их можно рассматривать как тонкую «кожу», удерживающую ядерную материю в ядре. У ядра свинца-208 такой поверхностный нейтронный слой особенно заметен из-за того, что в нем нейтронов аж на 44 больше чем протонов, а само ядро является дважды магическим. Согласно различным теоретическим предсказаниям для этого ядра, толщина его нейтронной кожи (которая определяется как разность среднеквадратичных радиусов нейтронов и протонов) может лежать между 0.1 и 0.3 фемтометра при полном радиусе ядра порядка 6.7 фемтометра.
Экспериментально же измерить толщину поверхностного нейтронного слоя достаточно сложно. Распределение протонов в ядре определить легко: протоны заряжены, а значит другие заряженные частицы с не слишком большой энергией при пролете мимо будут подчиняться законам кулоновского взаимодействия. Это значит, что по картине их рассеяния можно определить, как именно протоны расположены в ядре. Нейтроны, в свою очередь, нейтральные частицы, а значит напрямую увидеть их в экспериментах по рассеянию заряженных частиц на ядре не получится. В результате нейтронные распределения ядер измеряют с помощью самых разнообразных техник: от работы с антипротонными атомами до экспериментов по измерению сечения рождения пионов при взаимодействии электронов с ядрами. Но такое разнообразие приводит и к большому разбросу результатов, которые часто противоречат друг другу.
При этом точные измерения распределения нейтронной плотности в ядрах крайне важны для физиков. В первую очередь нейтронная кожа влияет на фундаментальные свойства самих ядер: от ее величины зависит хотя бы их форма. Но немаловажным оказывается и другой фактор: ядерная материя подчиняется своему уравнению состояния, и именно из измерений толщины поверхностного нейтронного слоя можно получить один из его параметров — энергию симметрии. От величины этого параметра будет зависеть, как именно будут себя вести ядерные системы с большой разницей между нейтронными и протонными плотностями. К таким системам относятся в том числе нейтронные звезды: в первом приближении они не отличаются от обычных ядер, но с огромным количеством нейтронов и протонов, а значит подчиняться они будут тому же уравнению состояния. Поэтому изучение ядра свинца (в котором, как уже было сказано, эффект поверхностного нейтронного слоя особенно заметен) может помочь физикам больше узнать и об устройстве нейтронных звезд.
Теперь же участники коллаборации PREX вновь измерили толщину поверхностного нейтронного слоя свинца в эксперименте на основе рассеяния поляризованных электронов на нейтронах в составе ядра. Такая техника основана на том, что хоть нейтрон в составе ядра и не взаимодействует с летящим на него электроном через электромагнитные силы, они взаимодействуют друг с другом посредством слабого взаимодействия. В процессе такого взаимодействия нейтрон и электрон обмениваются Z-бозоном — переносчиком слабых сил. Если же электрон поляризован, то есть его спин сонаправлен (правая поляризация) или противонаправлен (левая поляризация) его импульсу, то электроны с двумя разными поляризациями взаимодействуют с нейтронами с различной вероятностью. Это значит, что по величине асимметрии сечения взаимодействия электронов разной поляризации с ядром можно судить о плотности нейтронов в самом ядре. Кроме того, электрон практически не взаимодействует с протонами через слабые силы, а значит последние не будут вносить свой вклад в такую асимметрию.
В ходе эксперимента ученые облучали тонкий слой свинца между двумя алмазными подложками поляризованным пучком электронов с энергией 953 мегаэлектронвольт и наблюдали за их рассеянием. Значение асимметрии сечения рассеяния правых и левых электронов оказалось равным 550 ± 24 миллиардных частей, из которой физики получили значение толщины поверхностного нейтронного слоя в 0.28 ± 0.09 фемтометра и среднеквадратичного радиуса нейтронов в 5.8 ± 0.1 фемтометра. Результаты совпали с предыдущими измерениями коллаборации, погрешность которых, однако, была в разы выше. При этом полученные результаты для толщины нейтронной кожи оказались существенно выше значений в эксперименте на основе фоторождения пионов, результатом которого было значение в 0.15 ± 0.03 фемтометра.
Пользуясь связью ширины поверхностного нейтронного слоя и энергии симметрии в уравнении состояния ядерной материи, ученые получили значение последней: она оказалась равна 106 ± 37 мегаэлектронвольт. Это значение также оказалось неожиданно высоко: существующие модели используют существенно меньшие величины. В сопутствующей статье, вышедшей одновременно с результатами эксперимента, физики обсуждают ограничения, которые такие результаты вносят в наше понимание ядерной материи и в особенности нейтронных звезд. В частности, исследователям удалось наложить более строгие ограничения на допустимый радиус и деформируемость нейтронных звезд.Помимо поверхностного нейтронного слоя в устройстве ядер еще много неисследованных эффектов, и физики продолжают их изучать. Например, в ядрах кремния и серы ученым удалось «нащупать» пузырек, а в тяжелых изотопах исследователи видят скоррелированные нейтрон-протонные пары.
