Атомното ядро е необичайно място. Известно е, че съдържа протони и неутрони. Тези частици, или
Загадките на силното взаимодействие, коетоопределя движението на тези частици, принуждава учените да търсят нови начини да погледнат вътре в атома, за да разберат какво се случва там. Физиците излязоха с нов метод, който използва огледални атоми и откриха, че протоните се сблъскват със своите събратя протони и неутроните със своите събратя неутрони по-често от очакваното.
Какво е силно взаимодействие?
Силната ядрена сила е една отфундаментални взаимодействия заедно с гравитацията, електромагнетизма и слабото взаимодействие. Най-добре се изучава на квантово ниво. Взаимодействието между кварките (елементарни частици, които изграждат материята) и глуоните (безмасови носители на силното взаимодействие) се описва от квантовата хромодинамика.
Учените смятат, че всеки кварк е такъвносител на специфичен квантов заряд. Нарича се цвят, въпреки че това е конвенционален термин, който няма нищо общо с оптичните свойства. В допълнение, той има дефиниран вектор на състоянието в сложно 3D цветово пространство.
Силното взаимодействие е процес, при койтокварките обменят заряд (цвят), носен от глуона. За разлика от фотона в електромагнитното взаимодействие, който е уникален и няма собствен заряд, всеки глуон носи определен цвят. Изследователите идентифицират осем вида такива частици с различни заряди.
Схема на силно взаимодействие. Изображение: Manishearth, CC BY-SA 3.0, чрез Wikimedia Commons
Както подсказва името, силната сила енай-мощният, но действа само на къси разстояния, сравними с размера на атомно ядро и по-малко. Удивителна характеристика на това взаимодействие е, че с увеличаването на разстоянието между кварките то се увеличава, а с намаляването отслабва.
Този ефект причинява конфайнмънт – заключването на кварките вътре в адроните (съставните частици). Следователно кварк не може да съществува в свободното пространство, а само като част от по-сложни частици.
Нарушаването на взаимодействието между два кварка под действието на енергия води до раждането на нова двойка кварк и антикварк. Анимация: Manishearth, CC BY-SA 3.0, чрез Wikimedia Commons
Въпреки че силната сила е най-добре развитата теория във физиката на елементарните частици, взаимодействията на съставни частици като адрони и нуклони (протони и неутрони) са много трудни за изчисляване.
Как се измерва взаимодействието на нуклоните?
Условен модел на атом (вляво) и хелий-4 (вдясно). Сивият цвят е електронният облак, увеличеното изображение показва ядрото. Дясно изображение: Потребител: Yzmo, CC BY-SA 3.0, чрез Wikimedia Commons
Атомните ядра често се изобразяват като плътниклъстери от протони и неутрони, слепени заедно, но всъщност тези нуклони непрекъснато се въртят един около друг. В същото време те се сблъскват и разпръскват отново, но върху „еластика“ на силното взаимодействие се връщат обратно. В повечето ядра учените изчисляват, че нуклоните прекарват около 20% от живота си във възбудени състояния с висок импулс, причинени от тези сблъсъци.
Правилното тълкуване на набора от физическиексперименти, като тези, провеждани в Големия адронен колайдер и други ускорители на частици, зависят от това колко добре учените разбират подобни сблъсъци.
За да ги изучават, физиците работят върхуатомни ядра със снопове от високоенергийни електрони. Ако измерите с каква енергия и в каква посока е започнал да се движи електрон, когато се е сблъскал с положително зареден протон на атомно ядро, можете да определите колко бързо се е движил.
В допълнение, силно зареден електрон имадостатъчен импулс, за да прекъсне силното взаимодействие и да избие „възбудения“ протон от атомното ядро. В процеса на прекъсване на връзката в редица случаи след него се изхвърля неговият „партньор“ - частицата, с която той се е срещал последно и е свързана чрез силно взаимодействие.
В класическите експерименти физиците използватпреброяване на такива "изхвърлени" двойки от два протона или протон и неутрон, за да се определи как нуклоните взаимодействат в атомите на ядрото. Експериментите, при които ядра на различни атоми от въглерод с 12 нуклона до олово с 208 бяха облъчени с електрони, показаха приблизително същото разпределение: почти 95% от всички сблъсъци са в двойки протон-неутрон, а 5% са във взаимодействието между еднакви нуклони.
Недостатъкът на този метод е, че такъвточните сблъсъци, при които и двете частици се излъчват от ядрото, са доста редки и други фактори могат да повлияят на частиците в атомите. Следователно измерванията съдържат малко данни и резултатите имат голяма грешка.
Какво показа експериментът с огледалните ядра?
За да заобиколят това ограничение, учените измислиханов метод. Решиха да облъчват „огледални” атомни ядра. Атом на хелий-3 (стабилен изотоп на хелия) има същия брой нуклони като трития (изотоп на водорода). Но ако в първия случай ядрото се състои от два протона и един неутрон, то във втория случай всичко е точно обратното.
Учените са разбрали, че ако всяко от тезиатоми, тогава разликата в наборите от нуклони ще помогне да се определи по-точно как протоните и неутроните на атомните ядра взаимодействат помежду си. В новия експеримент беше възможно да се съберат много повече данни, отколкото в предишните, тъй като анализът не изискваше редки тройни съвпадения, когато и двете възбудени частици излетяха от ядрото; дори една беше достатъчна.
Изследователите съобщават, че новият метод се е увеличилточност на измерване 10 пъти. Те обаче не очакваха, че взаимодействията на нуклоните в простите атоми ще бъдат много различни от сложните, които бяха тествани в предишни експерименти.
В статия, публикувана наскоро в списаниетоNature, физиците съобщават, че делът на взаимодействията между идентични частици (сблъсъци протон-протон и неутрон-неутрон) се оказа много по-висок: той е около 20%.
Искахме да направим значително по-точни измервания, но не очаквахме да са много различни.
Джон Арингтън, изследовател на лабораторията в Бъркли и съавтор на нова статия
Какво следва?
Изследователите смятат, че разликата ввзаимодействието на частиците може да се обясни именно с размера на ядрата. Основните процеси на разсейване - промени в посоката на движение на частиците при сблъсък с други - се случват с двойки протони и неутрони, каза Арингтън. Но по време на облъчването има други причини, които могат да причинят разсейване и да засегнат всички видове нуклони.
Например, те могат да зависят от разстоянието междучастици, които са по-големи в леките ядра, отколкото в тежките. За да потвърдят тази хипотеза или да намерят алтернативно обяснение, учените планират да проведат подобни експерименти с други леки атоми.
Разбиране на принципите, отговорни за взаимодействиетокомпозитни частици представлява не само теоретичен, но и практически интерес. Тези подробности са важни за анализа на данни при високоенергийни експерименти с кварки, глуони и други елементарни частици като неутрино. В допълнение, именно тези процеси обясняват взаимодействието на нуклоните, които образуват неутронни звезди.
Прочетете още:
Първите изображения на подземната част на Марс изненадаха учените
Галактика, разположена на 12 милиарда светлинни години от Земята, се „нави“ в пръстен на Айнщайн
Растение на Марс произвежда кислород със скоростта на средно дърво