據外媒報導，根據一項新的研究，鉛原子核外面的中子層比物理學家想像的要厚兩倍。這個看似深奧的結果可能會帶來意想不到的影響：中子星–恆星在超新星爆炸中爆炸後留下的超密度球體–可能比理論普遍預測的要更堅硬、更大。

“這是一項了不起的實驗成就，”阿姆斯特丹大學研究中子星的天體物理學家Anna Watts說道，“它被談論了很多年很多年，終於看到它完成了，真是太酷了。”

原子核由質子和中子組成，它們被所謂的強核力粘在一起。雖然一般情況下，中子的數目超過質子，但也不是太多，因為質子和中子數量的巨大不平衡會增加原子核的內能從而使它不穩定。理論通常預測一個大的原子核由幾乎相等的質子和中子的混合物組成，其周圍環繞著一層純中子。

在托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置中進行鉛(Pb)半徑實驗(PREX)的核物理學家現在已經測量到了這層皮膚的厚度。為了做到這一點，他們從鉛-208的原子核上彈回大量的電子。鉛-208是該元素最常見的同位素，擁有82個質子和126個中子。帶負電荷的電子跟帶正電荷的質子主要通過電磁力相互作用使電子偏轉。通過這種電磁散射，其他物理學家先前通過測量鉛-208核中質子的分佈發現其可延伸到半徑為5.50費米的地方。

為了探測中子，PREX物理學家利用了電子可以通過弱核力跟質子和中子相互作用的事實。跟電磁力相比，它的強度更為微弱，它的強度取決於進入的電子是否向右旋轉。這種偏手性使得PREX研究人員得以檢測出弱力的影響。

研究人員向鉛核發射一束幾乎都以相同方式旋轉的電子束並測量它們以特定角度偏轉的概率。然後，他們翻轉電子使其向相反的方向旋轉並尋找偏轉電子的電流差異為百萬分之一。這種微小的不對稱性將表明弱力的影響，它的大小將揭示中子的空間擴散。物理學家們以每秒240次的速度翻轉電子的自旋，他們非常小心地確保其不會改變電子束的能量、強度或軌跡。

PREX研究人員在《Physical Review Letters》上報告稱，觀察到的不對稱性意味著鉛原子核的中子皮厚0.28費米，誤差為0.07。這一測量結果跟PREX團隊在2012年報告的之前的測量結果非常吻合，但新數據卻將不確定性降低了一半。更精確的發現表明，鉛-208的中子表皮厚度約是理論學家預測的兩倍。“這迫使每個人開始仔細審視他們的假設，這是實驗主義者的夢想，”麻省大學阿默斯特分校的物理學家、PREX團隊聯合發言人Krishna Kumar說道。

其中一些假設最終涉及到中子星的性質。佛羅里達州立大學的核理論家Jorge Piekarewicz解釋稱，儘管原子核的密度比中子星小幾倍，但前者可以用來推斷中子星的密度。他指出，特別是較厚的中子外殼，它們意味著中子星的可壓縮性比許多理論預測的要小，而這將使它們更大。事實上，在發表在《Physical Review Letters》上的另一篇論文中，Piekarewicz和他的同事們計算出，PREX的結果表明，一個普通的中子星的半徑在13.25到14.25公里之間，其質量是太陽的1.4倍。大多數理論得出的估計數接近10公里。

美國馬里蘭大學帕克分校的天文學家Cole Miller使用了NASA的中子星內部成分探測望遠鏡(NICER)，他認為這種巨型望遠鏡是可行的。NICER的研究人員利用旋轉中子星的輻射光譜來推斷其大小，甚至還繪製出其表面的不規則性。該儀器測量了兩顆質量分別是太陽1.4倍和2.1倍的中子星的輻射，結果發現這兩顆中子星的半徑都在13公里左右。

但Miller表示，引力波探測器的數據可能更青睞較小、較軟的中子星。2017年，美國激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利Virgo探測器的物理學家發現，兩顆中子星相互旋轉並合併，這可能會形成一個黑洞。Miller稱，如果中子星相對較大且硬度較高，那麼在合併之前它們應該已經通過引力開始相互變形，但LIGO和Virgo的研究人員在他們的信號中沒有發現這種潮汐變形的證據。

然而，密歇根州立大學的核理論家Witold Nazarewicz指出，現在擔心PREX結果對天體物理學的影響還為時過早。他指出，該團隊只測量了電子散射的不對稱性，而研究人員用來將其轉化為中子表皮厚度的理論有其自身的不確定性。Nazarewicz稱，研究小組從這種不對稱中得到的價值可能已經跟鉛核的其他性質的測量相衝突了。

Piekarewicz則表示，PREX的驚人結果可能會促使核物理學家和天體物理學家重新檢查原子核和中子星之間的理論聯繫。“這對社區來說是一種心理衝擊。”