2019-ben egy fizikuscsoport három hónapon keresztül elektronokkal bombázott ólomatomokat, amelyeket egy gyémántból készült fólia tartott egy helyben. A kutatók az atomok neutronhéjának vastagságát igyekeztek meghatározni, vagyis azt a semleges szubatomi részecskékből álló réteget, amely az atommag pozitív töltésű protonjait veszi körül.

A kísérlet sikeres volt, a 208-as tömegszámú ólom neutronhéja 0,28 femtométer vastag, ami egy tized femtométerrel több, mint a korábbi becslések szerinti érték. Ez pedig atomi méretekben óriási eltérést jelent. A korábbi számítások sokkal pontatlanabb becsléseken és előfeltevéseken alapultak, így az új eredmény kapcsán a szakértők azt remélik, hogy ennek ismeretében érdemi előre lépések következhetnek az atommag viselkedésével kapcsolatban, atomi és csillagászati méretekben egyaránt.

A neutronhéj vastagságának mérése éppen a neutronok semlegessége miatt nehézkes. A mostani kísérlet során a különböző impulzusmomentumú elektronok szóródásában tapasztalt eltérésekből következtettek a vastagságra, a gyenge kölcsönhatásra alapozva a méréseket. Ami a célpontot illeti, azért esett a 208-as ólomizotópra a választás, mert ez az atom bír a legnagyobb szuperstabil maggal a fizikusok ismeretei szerint, ráadásul magi szinten is tökéletesen telített, hiszen a protonok és a neutronok is teljesen feltöltik saját héjaikat. „Az ólom-208 különösen jól használható, mivel remekül modellezi az uniform magi anyagot” – mondja Kent Paschke, a Virginiai Egyetem fizikusa, az eredményekről beszámoló tanulmány egyik szerzője.

A neutronhéj vastagsága az atommag szerkezetének megismerésén túl azért is érdekes, mert a világegyetem legnagyobb sűrűségű objektumai közé tartozó neutroncsillagok működésének megfejtésében is segítséget jelenthet. A neutroncsillagok halott csillagok összeomlott magjai, amelyek annyira sűrűek, hogy a szakértők bizonytalanok, mi lehet a belsejükben. Az egyik elképzelhető lehetőség, hogy a sötét anyag egyik teoretikus részecskéje, vagyis axionok töltik ki ezeket.

A neutronok anyagának nyomása a gravitáció ellenében hatva megakadályozza, hogy a neutroncsillag fekete lyukká váljon, mondja Chuck Horowitz asztrofizikus. „Az ólom vártnál vastagabb neutronhéja azt sugallja, hogy az a nyomás is magasabb, és a neutroncsillagok relatíve nagy méretűek” – folytatja a szakértő.