Januar 27, 2022

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Neige zur Unsicherheit | MSU heute

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Unsicherheit gehört zum Leben. Es ist unmöglich, ihm zu entkommen, selbst in einer so präzisen Wissenschaft wie der Kernphysik.

Witek Nazarewicz, John A. Hannah Emeritus Professor of Physics and Chief Scientist an der Facility for Rare Isotope Beams an der MSU

Während Wissenschaftler daran arbeiten, Ideen und Experimente zu entwickeln, um diese Unsicherheit zu minimieren, sollten sie dies nicht vergessen, sagte die Michigan State University. Witold Nazarewicz. Zu diesem Zweck veröffentlichte er zusammen mit Mitarbeitern in Deutschland und Italien eine Art Erinnerung in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Untersuchung.

“Es ist wichtig, daran zu denken, dass experimentelle Messungen und theoretische Modelle von Fehlerabschätzungen begleitet werden müssen”, sagte Nazarewicz, John A. Hannah emeritierter Professor für Physik und leitender Wissenschaftler an der Installation für seltene Isotopenstrahlen, oder FRIB. “Und die Dinge lassen sich besser verstehen, wenn man diese Unsicherheiten bedenkt.”

Hier bezieht sich Nazarewicz auf viele Diskussionen nach dem Erfolg des mit Spannung erwarteten Bleistrahl-Experiments in Nationaler Beschleuniger Thomas Jefferson in Virginia. Das Experiment zielte darauf ab, die Größe der Neutronen im Kern oder Kern eines Bleiatoms abzuleiten, indem eine winzige Links-Rechts-Asymmetrie in der Elektronenstreuung gemessen wurde.


Dieses Experiment – bekannt als PREX, was sich auf “T. rex” reimt – untersuchte einen Bleikern mit 82 Protonen und 126 Neutronen.Das P in PREX kommt von der Abkürzung für Blei im Periodensystem, Pb.

Wissenschaftler wussten, dass dieses Isotop oder diese Version von Blei eine “Haut aus Neutronen” haben würde, weil es mehr Neutronen als Protonen enthält. Das heißt, die Neutronen würden etwas weiter herauskommen als die Protonen.

Was die erste theoretische Analyse der Ergebnisse von PREX jedoch nahelegte, ist, dass diese Haut einige Billiarden Zoll dicker ist, als viele Wissenschaftler erwartet hatten. Und wiederum dank der Arbeit von Theoretikern könnte diese winzige kleine Haut astronomische Implikationen haben: Sie könnte mit der Größe von Himmelsobjekten wie Neutronensternen zusammenhängen.

Neutronensterne faszinieren aus vielen Gründen, unter anderem durch ihre atemberaubende Dichte. Sie sind unglaublich massiv – der „typische“ Neutronenstern hat 40 % mehr Masse als unsere Sonne – und unglaublich klein für Sternmaßstäbe. Zwischen East Lansing und Ann Arbor könnte man etwa fünf Neutronensterne mit der Masse von sieben Sonnen platzieren.

Und die überraschend dicke Neutronenhaut des Bleis könnte darauf hindeuten, dass diese Sterne größer sind als erwartet. Nicht wesentlich größer, aber genug, um “einen psychologischen Schock für die Gemeinschaft” zu senden, sagte Jorge Piekarewicz, Professor für theoretische Kernphysik an der Florida State University, in einem Interview mit Wissenschaftliche Zeitschrift diesen Monat April.

In dem neues Papier, schloss sich Nazarewicz den Mitarbeitern Paul-Gerhard Reinhard, Professor für Physik an der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland, und Xavier Roca-Maza, außerordentlicher Professor für Physik an der Universität Mailand in Italien, an. Das Trio trat einen Schritt zurück und analysierte die PREX-Ergebnisse durch viele Linsen, die von verschiedenen theoretischen Modellen bereitgestellt wurden.

Die Forscher fanden heraus, dass eine weitere grundlegende Kerneigenschaft von Blei, die sogenannte dipolare Polarisierbarkeit, nicht reproduziert werden kann, wenn PREX-Daten durch ein theoretisches Modell erklärt werden. Mit anderen Worten, es gibt kein einziges aktuelles Modell, das konsistente Aussagen über die Eigenschaften des Bleikerns und des PREX-Maßstabs treffen kann.

Eine Abbildung verwendet gepunktete Linien, um die Mittelwerte von PREX-Messungen am Jefferson Lab und dem Nuclear Physics Research Center der Osaka University darzustellen.  Die schattierten Bereiche zeigen die Unsicherheiten dieser Messungen.  Bei Modellen markieren Quadrate den Mittelwert und Ovale zeigen die Fehlerschätzungen.  Drei Modelle passen in die Unsicherheit des PREX-Experiments, eines in die Unsicherheit des RCNP-Ergebnisses.  Ein Muster, SV-min, liegt in der dunkelgrauen Überlappung der beiden experimentellen Messungen.

Diese Grafik zeigt die Ergebnisse von zwei Experimenten mit dem Blei-208-Isotop in Grau sowie vier Modelle, die zur Interpretation der Ergebnisse in Rot und Grün verwendet wurden. Die Botschaft hier ist, dass kein einzelnes Modell beide Erfahrungen reproduzieren kann.

Eine Möglichkeit, diese Diskrepanz zwischen Theorien und dem PREX-Experiment zu betrachten, besteht darin, dass die Modelle fehlerhaft oder kaputt sind. Aber Nazarewicz warnte vor dieser Interpretation.

„Was wir sagen, ist ‚Haltet eure Pferde‘“, sagte Nazarewicz. “Wir müssen das PREX-Ergebnis besser verstehen, bevor wir weitreichende Schlussfolgerungen ziehen können.”

Das heißt, es besteht eine gewisse Unsicherheit.

Besonderes Augenmerk legten Nazarewicz und Kollegen in ihrer neuen Analyse auf die Unsicherheiten oder „Fehlerbalken“, die Teil des Experiments sind, und die zu seiner Interpretation verwendeten Modelle. Berücksichtigt man diese Fehlerbalken, ergibt sich das Bild, dass das PREX-Ergebnis und die Modelle konsistenter sind, als sie zunächst erscheinen mögen.

„Wir haben derzeit keine überzeugenden Beweise dafür, dass Neutronenhäute und Neutronensterne größer sein müssen, als von Standardmodellen von Atomkernen vorhergesagt. Auch wenn dies nicht das aufregendste Ergebnis ist, tut es der Bedeutung des PREX-Ergebnisses keinen Abbruch. Es zeigt nur, dass es noch zu früh ist, endgültige Aussagen über die Größe von Neutronenhäuten und Sternen zu machen, was weitere Experimente und viel Modellentwicklung erfordern wird “, sagte Nazarewicz.

Mit der Online-Schaltung des FRIB im Frühjahr 2022 bietet er auch neue Wege zur Erforschung dieser Themen. Studien an Neutronenhäuten und Neutronensternen sind in der Tat Schlüsselelemente des wissenschaftlichen Portfolios des FRIB.

„Die nächste Generation von Erfahrungen wird helfen. Sagte Nazarewicz. “Angesichts der aktuellen Daten ist es jedoch nicht erforderlich, unsere Handbücher sofort zu überprüfen.”

Die Michigan State University (MSU) betreibt die Rare Isotope Beam Facility (FRIB) als Nutzereinrichtung für das US Department of Energy Office of Science (DOE-SC) und unterstützt die Mission des DOE-SC Office of Nuclear Physics. FRIB wird vom DOE-SC, der MSU und dem Staat Michigan finanziert, und der Betrieb der Nutzereinrichtungen wird vom DOE-SC Office of Nuclear Physics unterstützt.

Die US Department of Energy Office of Science ist der größte Befürworter der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und bemüht sich, einige der dringendsten Herausforderungen von heute anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie energy.gov/science.

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