Czy neutrony „chudną” w gwiazdach?

Poprawione równanie materii jądrowej przewiduje, że neutrony wewnątrz gwiazd neutronowych mogą tracić masę

Neutrony chudną - masy nukleonów tworzących gęstą materię jądrową mogą być mniejsze niż masy analogicznych cząstek w jądrach atomowych

Dr Jacek Roży­nek zapro­po­no­wał mody­fi­ka­cję rów­na­nia opi­su­ją­cego stan mate­rii jądro­wej. Pomysł został zaczerp­nięty z kla­sycz­nej che­mii, a z obli­czeń wynika m.in., że masy nukle­onów two­rzą­cych gęstą mate­rię jądrową mogą być mniej­sze niż masy ana­lo­gicz­nych czą­stek w jądrach ato­mo­wych.

Jądra atomów są niesłychanie małe, a gęstość materii jądrowej jest tryliony razy większa niż zwykłej, znanej nam „materii atomowej”. Materia jądrowa składa się z neutronów i protonów (nukleonów) oddziałujących siłami, które zmieniają się wraz z wzrostem gęstości tej materii. Można sądzić, że na pewnym etapie ewolucji materią tą był wypełniony cały wczesny wszechświat. Obecnie z materii jądrowej w stanie równowagi zbudowane są jądra atomowe natomiast w gwiazdach neutronowych materia jądrowa jest ściśnięta kilkukrotnie przez siły grawitacyjne.

Opisując właściwości materii fizycy posługują się takimi pojęciami jak ciśnienie, gęstość, objętość lub temperatura. Parametry te powiązane są ze sobą poprzez równanie stanu. Mówi ono jak zmiana jednego parametru układu wpływa na pozostałe. To w nim ukryta jest np. informacja o tym jak zmienia się ciśnienie powietrza w pompce, gdy ściskamy je zmniejszając jego objętość. Równanie stanu dla materii jądrowej nie jest tak proste jak dla gazów: musi ono uwzględniać fakt, że pomiędzy składnikami tej materii działają siły o bardzo skomplikowanej naturze oraz fakt, że masa i energia oddziaływania składników tej materii powiązane są ze sobą słynnym wzorem Einsteina. Na dodatek protony i nukleony są obiektami złożonymi: składają się z kwarków i gluonów, a wartość masy nukleonu zależy od aktualnej siły ich oddziaływania.

Dotychczas rozważane równania stanu dla materii jądrowej nie były zadowalające. Przewidywały one, że materia ta zbyt trudno poddaje się ściskaniu, co wydawało się sprzeczne z eksperymentem. Dr Jacek Rożynek (NCBJ) zaproponował jak poprawić tę sytuację. Pomysł, zaczerpnięty z klasycznej chemii, polegał na uwzględnieniu faktu, że neutrony i protony tworzące materię jądrową mają swoją własną objętość. Dr Rożynek wykazał, że jeśli założymy, że te indywidualne objętości cząstek nie zmieniają się przy ściskaniu materii jądrowej, to w konsekwencji einsteinowskiemu zmniejszeniu muszą ulegać ich indywidualne masy. Przeprowadzone obliczenia pokazują, że uwzględniony przez naukowca efekt wpływa na przewidywania dotyczące ściśliwości materii jądrowej w stanach w pobliżu gęstości równowagi. Nowa zależność ciśnienia od gęstości powyżej gęstości równowagi jest słabsza, co ma kluczowe znaczenie przy dopasowaniu jądrowego równania stanu do opisu ostatnio odkrytych, stosunkowo ciężkich gwiazd neutronowych (o masach wynoszących około 2 mas Słońca). Otrzymany wynik jest też ważny przy wyznaczaniu parametrów wzajemnego oddziaływania nukleonów w jądrach atomowych.

Praca została wyróżniona jako jedna z 5 najlepszych, wykonanych w 2015 r. w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ.

Neutrony chudną - masy nukleonów tworzących gęstą materię jądrową mogą być mniejsze niż masy analogicznych cząstek w jądrach atomowych