Для имитации условий внутри нейтронной звезды ученые использовали ядра атомов олова, которые разогнали до двух третей скорости света с помощью ускорителя в японском центре RIKEN Nishina. Пучок направили через тонкую оловянную фольгу, чтобы разрушить ядра, которые на одну миллиардную триллионной доли секунды просуществовали в виде сверхплотного «супа» из протонов и нейтронов. Тем не менее, этого времени достаточно для образования пионов — частиц, являющихся переносчиками ядерных сил. Пионы регистрировали специальные детекторы, построенные физиками Мичиганского университета.
Физика и свойства нейтронных звезд описываются уравнением состояния, которое на настоящий момент плохо изучено. Проблема состоит в том, что при экстремальных значениях плотности на свойства вещества в значительной мере начинает влиять энергия симметрии, которая отражает способность атомных ядер сохранять свою стабильность, а также определяет долю протонов. Эксперимент ученых был направлен на то, чтобы ограничить вклад энергии симметрии в уравнение состояния вещества по спектрам заряженных пионов, порожденных изотопами олова.
С ростом плотности материи энергия симметрии растет, однако при экстремальных значениях достигает максимума и начинает падать, что соответствует снижению доли всех компонентов материи, кроме нейтронной. Физики рассчитали соотношения спектров заряженных пионов и сумели ограничить производную энергии симметрии по плотности (L) диапазоном от 42 до 117 мегаэлектронвольт.
Это значение L лишь немногим меньше значения, полученного в результате измерения толщины нейтронной оболочки изотопа свинца-208. Согласно теории оболочечного строения структуру ядра можно рассматривать по аналогии со структурой электронных оболочек атома, поэтому нуклоны (протоны и нейтроны) заполняют свои оболочки, повышая стабильность ядра. Протоны и нейтроны делают это асимметрично, что становится особенно заметным для тяжелых изотопов, что позволяет ученым связать размер оболочек с энергией симметрии.
В будущем ученые планируют провести более точные оценки энергии симметрии и ее производных на установке FRIB (Facility for Rare Isotope Beams), которая будет введена в эксплуатацию в 2022 году. Это позволит лучше понимать физику среды внутри нейтронных звезд.