硬度至少是鉆石的1億億億倍。
雖然之前在以下回答中寫到約為鋼鐵的100億倍 [1] ，不過這個數位最近(2021.4)被另外一個不同的研究更新 [2] 。
遺憾的是新的方法仍然不是直接用「知乎小勺」挖來測定。
這次研究者選擇的方法是自己在實驗室制作中子星來測定。恰好以前曾寫過一篇「如何制作中子星？」的回答，大家可以參考。下文中也會出現一些諸如「中子過剩核」「π介子」等在該回答中提到過的概念。
好了，開始制作。
原理很簡單：既然中子星裏盡是中子，我們就模擬這樣的構造去制造這樣的「中子過剩核」來測定硬度。
中子過剩核意味著原子核密度比通常更大。那要大多少呢？
我們知道，中子星品質與太陽同等，但半徑只有10km左右。這意味著從中心部舀一勺體積約1cm^3的中子星物質，其重量可達1億億kg——這大概是原子核密度的5~7倍。
問題是，要想在實驗室中穩定地制造出像中子星內部存在的高密度物質幾乎是不可能的。本次我們用到的方法是透過將加速的原子核撞擊到另一個原子核來產生高密度狀態。但是，由於此時生成的高密度核物質極不穩定，會在一瞬間崩潰，所以很難調查碰撞中形成了什麽樣的物質。
因此，研究人員透過使用加速器人工增加或減少中子數，讓品質數不同的原子核之間碰撞，系統測量因碰撞而發射出的帶有生成的高密度核物質資訊的「帶電π介子」，將其結果與理論模型進行比較，從而匯出中子星內部的硬度。
本次的實驗場所是在日本的理研重離子加速器設施RIBF（RI Beam Factory）。利用存在大量穩定同位素的錫( Sn )的RI（放射性同位素）束，生成了中子比通常多的與中子比通常少的兩種高密度核物質。
前者由Sn-132原子核（質子數50、中子數82）與 Sn-124原子核（中子數74）碰撞；後者由Sn-108原子核（中子數58）與Sn-112（中子數62）碰撞生成。碰撞的Sn原子核的能量為每個核子270MeV左右，在該能量下，碰撞中心部份的密度可達到原子核密度的1.5~2倍左右（也就是說還是比實際的中子星物質核密度小很多）。
為了比較生成的中子多的高密度核物質和中子少的高密度核物質的硬度差異，需要同時測量由碰撞釋放的帶電π介子等許多粒子。為此，研究小組事先與美國密西根州立大學共同開發了三維時間射影型飛行軌跡檢測系統「SPiRIT」（圖1）。 該系統在多粒子測量裝置「SAMURAI Spectrometer」上安裝了體積1m^3左右的帶電粒子檢測器，可以一次測量RI束碰撞產生的多個粒子。 最終，本實驗利用SPiRIT成功地系統測量了由中子數不同的兩個高密度核物質系統生成的帶電π介子。
此前，作為決定高密度核物質狀態方程式式的有力方法，有人提出了透過使用數值描述原子核之間碰撞的「輸送理論模型」的理論計算，進行帶電π介子的測量。本次測量的帶電π介子被認為帶有原子核密度1.5倍的高密度核物質的資訊。將兩個系統分別放出的帶電π介子的能量分布比的差異與輸送理論模型進行比較，最終算出1.5倍原子核密度下的中子核物質的硬度（壓力）為13±10MeV/fm^3或(2±1.5)×10^29個大氣壓，這比鉆石的硬度大了整整25位數！
圖2上邊是中子多的高密度核物質，下邊是中子少的高密度核物質放出的帶電π介子的能量分布比。紅線和藍線表示根據理論模型得出的狀態方程式式（物質的硬度）的大小的差異。 根據實驗值（黑圈）推測出藍線和紅線中間值的硬度最合理。 實線和虛線表示作為計算中不確定因素之一的品質參數的差異。在兩個體系中，透過將硬度差異與理論模型進行比較，匯出了中子核物質在1.5倍原子核密度下的硬度。
這次，我們求出了1.5倍原子核密度中子過剩的核物質的狀態方程式式（硬度）。這個狀態方程式式比以前的精度更高，這不僅可以加深對中子星內部結構的理解，也是數值計算中子星合體和超新星爆炸時的元素合成過程所必須的資訊。今後，期待透過測量更高密度、中子更多的原子核物質，有望弄清元素合成過程的更詳細情況。
參考
- ^ M. E. Caplan et al. Elasticity of Nuclear Pasta. Phys. Rev. Lett. 121, 132701 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.132701
- ^ J. Estee et al., "Probing the Symmetry Energy with the Spectral Pion Ratio", Physical Review Letters, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.162701
