2019年の3ヶ月間、物理学者たちはダイヤモンド製の箔で固定された鉛原子に電子ビームを照射しました。研究チームは、鉛原子核内の正電荷を持つ陽子を取り囲む、電荷を帯びていない中性子の鞘である中性子スキンの厚さを決定しようと試み、見事に成功しました。
研究チームは、鉛208の中性子スキンの厚さは0.28フェムトメートル（1ミリメートルの0.28兆分の1）であると決定しました。これは、スキンの厚さの推定値が以前の計算値よりも10分の1フェムトメートル増加したことを意味します。これは原子スケールでは大きな変化です。
測定値を解き明かすのは「まるで虎の尻尾を掴んだようなものだった」と、バージニア大学の物理学者で今回の研究の共著者であるケント・パシュケ氏は電話インタビューで語った。レーザーを集中的に照射し、停電にも耐え、システムを24時間体制で監視する作業は3ヶ月続いた。チームは与えられた3ヶ月で作業を完了できるかどうか確信が持てなかった。しかし最終的に、原子スケールのマラソンは正確な測定値を導き出し、中性子スキンのサイズに関する私たちの理解を一新することになった。
これまでの表皮に関する計算は、より大まかな推定値と仮定に基づいていました。研究者たちは、この新たな測定が、原子核スケールと恒星スケールの両方における将来の観測の基礎となることを期待しています。彼らは、バージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の連続電子ビーム加速器施設で研究を行いました。この測定は、Pb半径実験（PREX-II）の第2版の集大成であり、研究チームの結果は本日Physical Review Letters誌に掲載されました。
「この測定は科学者にとって非常に刺激的です。なぜなら、これまでで最も少ない仮定のもとで中性子半径を測定できるからです」と、マサチューセッツ大学アマースト校の実験原子核物理学者で、本研究の共著者であるクリシュナ・クマール氏はビデオ通話で述べた。「実験科学者はまさにそのために生きているのです。」
研究チームは、異なるスピンを持つ電子が鉛原子核からどのように散乱するかを測定することで、中性子スキンの厚さを解明することに成功しました。中性子は電荷を持たないため、この測定値の測定はこれまで困難でした。中性子スキンの厚さを正確に測定するために、研究チームは電子や陽子が容易に発揮する電磁力ではなく、弱い核力を用いて測定を行いました。
この特定の鉛同位体、鉛208が選ばれたのは、その大きさと構造のためです。これは物理学者が知る最大の超安定原子核であり、そしておそらくもっと重要なのは、それが二重の「魔法」であるということです。つまり、その陽子と中性子の両方が軌道殻を完全に満たしているということです。
「鉛208は均一な原子核物質に近似しているため、特に有用です」とパシュケ氏は述べた。「大きく重いものを記述するには、こうした理論的手法が必要なのです。」
ああ、物理学、まさに極限の分野ですね。今回の場合、原子核を取り囲む中性子の表皮を調べることは、ブラックホールに次いで宇宙で最も密度の高い天体である中性子星の理解に重要な意味を持ちます。中性子星は死んだ恒星の崩壊した中心核で、密度が高すぎるため、専門家でさえその中心核に何があるのかはっきりと分かっていません。暗黒物質を説明する候補物質であるアクシオンの源である可能性が示唆されています。
「中性子物質の圧力が中性子星を重力に逆らって支え、ブラックホールへの崩壊を防いでいます」と、イリノイ大学の天体物理学者で本研究の共著者であるチャック・ホロウィッツ氏はメールで述べた。「Pb（鉛）には比較的厚い中性子層が見られました。これは高い圧力がかかっていることを意味し、中性子星が比較的大きいことを示唆しています。」
鉛中性子の表皮の厚さに期待されるのは、天体物理学者が中性子星の特性をより深く理解できるようになることです。中性子星の衝突は、合体時に発生する重力波によって観測されてきました。中性子星は高密度に詰まった核物質であるため、その中心核は依然として謎に包まれています。新たな物質状態という形で、新たな物理学が生まれる可能性があります。時には、望遠鏡で星を覗き込むよりも、素粒子の微細な振る舞いを観察することで、より多くのことがわかることがあります。
続き：新たな超精密測定によると、典型的な中性子星の幅はわずか13.6マイル
