Atomové jádro je neobvyklé místo. Je známo, že obsahuje protony a neutrony. Tyto částice, popř
Záhady silné interakce, kteráurčuje pohyb těchto částic, nutí vědce hledat nové způsoby, jak nahlédnout do nitra atomu, aby pochopili, co se tam děje. Fyzici přišli s novou metodou, která využívá zrcadlové atomy a zjistili, že protony se srážejí se svými kolegy protony a neutrony se svými kolegy neutrony častěji, než se očekávalo.
Co je to silná interakce?
Silná jaderná síla je jednou zzákladní interakce spolu s gravitací, elektromagnetismem a slabou interakcí. Nejlépe se to studuje na kvantové úrovni. Interakce mezi kvarky (elementárními částicemi tvořícími hmotu) a gluony (bezhmotnými nositeli silné interakce) je popsána kvantovou chromodynamikou.
Vědci věří, že každý kvark jenositel specifického kvantového náboje. Říká se tomu barva, i když jde o konvenční termín, který nemá nic společného s optickými vlastnostmi. Navíc má definovaný stavový vektor ve složitém 3D barevném prostoru.
Silná interakce je proces, ve kterémkvarky si vyměňují náboj (barvu), který nese gluon. Na rozdíl od fotonu v elektromagnetické interakci, který je jedinečný a nemá žádný vlastní náboj, každý gluon nese specifickou barvu. Vědci identifikují osm typů takových částic s různými náboji.
Schéma silné interakce. Obrázek: Manishearth, CC BY-SA 3.0, prostřednictvím Wikimedia Commons
Jak název napovídá, silná síla jenejvýkonnější, ale působí pouze na krátké vzdálenosti, srovnatelné s velikostí atomového jádra a menší. Úžasným rysem této interakce je, že jak se vzdálenost mezi kvarky zvětšuje, zvětšuje se, a když se zmenšuje, slábne.
Tento efekt způsobuje uzavření - uzamčení kvarků uvnitř hadronů (složených částic). Kvark proto nemůže existovat ve volném prostoru, ale pouze jako součást složitějších částic.
Narušení interakce mezi dvěma kvarky působením energie vede ke zrodu nového páru kvarku a antikvarku. Animace: Manishearth, CC BY-SA 3.0, prostřednictvím Wikimedia Commons
Ačkoli je silná síla nejrozvinutější teorií ve fyzice částic, je velmi obtížné vypočítat interakce složených částic, jako jsou hadrony a nukleony (protony a neutrony).
Jak se měří interakce nukleonů?
Podmíněný model atomu (vlevo) a helia-4 (vpravo). Šedá barva je elektronový mrak, zvětšený obrázek ukazuje jádro. Pravý obrázek: Uživatel:Yzmo, CC BY-SA 3.0, prostřednictvím Wikimedia Commons
Atomová jádra jsou často zobrazována jako hustáshluky protonů a neutronů slepené k sobě, ale ve skutečnosti se tyto nukleony neustále točí kolem sebe. Zároveň se znovu srazí a rozptýlí, ale na „elastickém pásu“ silné interakce se vrátí zpět. U většiny jader vědci odhadují, že nukleony tráví asi 20 % svého života ve vysokohybných excitovaných stavech způsobených těmito srážkami.
Správná interpretace množiny fyzikálníchexperimenty, jako jsou ty prováděné na Velkém hadronovém urychlovači a dalších urychlovačích částic, závisí na tom, jak dobře vědci těmto srážkám rozumí.
Aby je mohli studovat, pracují fyziciatomová jádra se svazky vysokoenergetických elektronů. Pokud změříte, s jakou energií a jakým směrem se elektron začal pohybovat při srážce s kladně nabitým protonem atomového jádra, můžete určit, jak rychle se pohyboval.
Navíc vysoce nabitý elektron mádostatečnou hybnost k přerušení silné interakce a vyražení „vzrušeného“ protonu z atomového jádra. V procesu přerušení spojení je za ním v řadě případů vyhozen jeho „partner“ – částice, se kterou se naposledy setkal a je spojena silnou interakcí.
Při klasických experimentech fyzici používajípočítání takových "vyvržených" párů dvou protonů nebo protonu a neutronu, aby se určilo, jak interagují nukleony v atomech jádra. Experimenty, při nichž byla elektrony ozařována jádra různých atomů od uhlíku s 12 nukleony až po olovo s 208, vykazovaly přibližně stejné rozložení: téměř 95 % všech srážek je v párech protonů a neutronů a 5 % připadá na interakci mezi stejnými nukleony.
Nevýhodou této metody je, že napřpřesné srážky, ve kterých jsou obě částice emitovány z jádra, jsou poměrně vzácné a další faktory mohou ovlivnit částice v atomech. Proto měření obsahují málo dat a výsledky mají vysokou chybu.
Co ukázal experiment se zrcadlovými jádry?
Aby se toto omezení obešlo, vědci přišli snová metoda. Rozhodli se ozářit „zrcadlová“ atomová jádra. Atom helia-3 (stabilní izotop helia) má stejný počet nukleonů jako tritium (izotop vodíku). Pokud se ale v prvním případě jádro skládá ze dvou protonů a jednoho neutronu, tak ve druhém případě je vše přesně naopak.
Vědci si uvědomili, že pokud každý z nichatomů, pak rozdíl v nukleonových sadách pomůže přesněji určit, jak se protony a neutrony atomových jader vzájemně ovlivňují. V novém experimentu bylo možné nasbírat mnohem více dat než v předchozích, protože analýza nevyžadovala vzácné trojnásobné koincidenční události, kdy obě excitované částice vylétly z jádra, stačila i jedna.
Výzkumníci hlásí, že nová metoda se rozšířilapřesnost měření 10x. Nepočítali však s tím, že interakce nukleonů v jednoduchých atomech se budou velmi lišit od těch komplexních, které byly testovány v předchozích experimentech.
V článku nedávno publikovaném v časopisePříroda, fyzici uvádějí, že podíl interakcí mezi identickými částicemi (proton-proton a neutron-neutron srážky) se ukázal být mnohem vyšší: je to asi 20%.
Chtěli jsme provést výrazně přesnější měření, ale neočekávali jsme, že se budou příliš lišit.
John Arrington, výzkumník v Berkeley Lab a spoluautor nového článku
Co bude dál?
Vědci se domnívají, že rozdíl vinterakci částic lze přesně vysvětlit velikostí jader. Hlavní procesy rozptylu - změny směru pohybu částic při srážce s jinými - se vyskytují u párů protonů a neutronů, řekl Arrington. Ale během ozařování existují další příčiny, které mohou způsobit rozptyl a ovlivnit všechny typy nukleonů.
Mohou například záviset na vzdálenosti mezi nimičástice, které jsou v lehkých jádrech větší než v těžkých. Aby vědci potvrdili tuto hypotézu nebo našli alternativní vysvětlení, plánují provést podobné experimenty s jinými lehkými atomy.
Pochopení principů odpovědných za interakcikompozitních částic je nejen teoretický, ale i praktický zájem. Tyto detaily jsou důležité pro analýzu dat ve vysokoenergetických experimentech na kvarcích, gluonech a dalších elementárních částicích, jako jsou neutrina. Navíc právě tyto procesy vysvětlují interakci nukleonů tvořících neutronové hvězdy.
Přečtěte si více:
První snímky podzemní části Marsu vědce překvapily
Galaxie, která se nachází 12 miliard světelných let od Země, se „svinula“ do Einsteinova prstence
Rostlina na Marsu produkuje kyslík rychlostí průměrného stromu