Atomkernen er et usædvanligt sted. Det er kendt, at det indeholder protoner og neutroner. Disse partikler, eller
Mysterier af det stærke samspil, sombestemmer bevægelsen af disse partikler, tvinger videnskabsmænd til at lede efter nye måder at se ind i atomet for at forstå, hvad der sker der. Fysikere kom op med en ny metode, der bruger spejlatomer og fandt ud af, at protoner kolliderer med deres medprotoner, og neutroner med deres medneutroner, oftere end forventet.
Hvad er en stærk interaktion?
Den stærke atomkraft er en affundamentale interaktioner sammen med tyngdekraft, elektromagnetisme og den svage interaktion. Det studeres bedst på kvanteniveau. Samspillet mellem kvarker (elementarpartikler, der udgør stoffet) og gluoner (masseløse bærere af den stærke vekselvirkning) er beskrevet af kvantekromodynamik.
Forskere mener, at enhver kvark erbærer af en bestemt kvanteladning. Det kaldes farve, selvom dette er et konventionelt udtryk, der ikke har noget at gøre med optiske egenskaber. Derudover har den en defineret tilstandsvektor i komplekst 3D-farverum.
Det stærke samspil er en proces, hvorikvarker udveksler ladning (farve) båret af gluonen. I modsætning til fotonen i elektromagnetisk interaktion, som er unik og ikke har sin egen ladning, bærer hver gluon en bestemt farve. Forskere identificerer otte typer af sådanne partikler med forskellige ladninger.
Ordning med stærk interaktion. Billede: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Som navnet antyder, er den stærke kraftden mest kraftfulde, men den virker kun på korte afstande, sammenlignelig med størrelsen af en atomkerne og mindre. Et forbløffende træk ved denne interaktion er, at når afstanden mellem kvarker øges, øges den, og når den aftager, svækkes den.
Denne effekt forårsager indespærring - låsning af kvarker inde i hadroner (sammensatte partikler). Derfor kan en kvark ikke eksistere i frit rum, men kun som en del af mere komplekse partikler.
Afbrydelsen af interaktionen mellem to kvarker under påvirkning af energi fører til fødslen af et nyt par kvark og antikvark. Animation: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Selvom den stærke kraft er den mest veludviklede teori inden for partikelfysik, er vekselvirkningerne mellem sammensatte partikler såsom hadroner og nukleoner (protoner og neutroner) meget vanskelige at beregne.
Hvordan måles nukleoners interaktion?
Betinget model af et atom (venstre) og helium-4 (højre). Grå farve er elektronskyen, det forstørrede billede viser kernen. Højre billede: Bruger: Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Atomkerner er ofte afbildet som tætteklynger af protoner og neutroner klistret sammen, men faktisk kredser disse nukleoner konstant om hinanden. Samtidig støder de sammen og spreder sig igen, men på det "elastiske bånd" af stærk interaktion vender de tilbage. I de fleste kerner vurderer videnskabsmænd, at nukleoner tilbringer omkring 20% af deres liv i ophidsede tilstande med højt momentum forårsaget af disse kollisioner.
Den korrekte fortolkning af det fysiske sæteksperimenter, som dem, der er udført ved Large Hadron Collider og andre partikelacceleratorer, afhænger af, hvor godt videnskabsmænd forstår sådanne kollisioner.
For at studere dem arbejder fysikere påatomkerner med stråler af højenergielektroner. Hvis du måler med hvilken energi og i hvilken retning en elektron begyndte at bevæge sig, da den kolliderede med en positivt ladet proton i en atomkerne, kan du bestemme, hvor hurtigt den bevægede sig.
Derudover har en højt ladet elektrontilstrækkeligt momentum til at bryde den stærke interaktion og slå den "ophidsede" proton ud af atomkernen. I processen med at bryde forbindelsen bliver hans "partner" i en række tilfælde smidt ud efter ham - den partikel, som han sidst stødte på og er forbundet med en stærk interaktion.
I klassiske eksperimenter bruger fysikeretælle sådanne "udstødte" par af to protoner, eller en proton og en neutron, for at bestemme, hvordan nukleonerne interagerer i kernens atomer. Eksperimenter, hvor kerner af forskellige atomer fra kulstof med 12 nukleoner til bly med 208 blev bestrålet med elektroner, viste omtrent samme fordeling: næsten 95% af alle kollisioner er i proton-neutron-par, og 5% er i interaktionen mellem identiske nukleoner.
Ulempen ved denne metode er, at sådaneksakte kollisioner, hvor begge partikler udsendes fra kernen, er ret sjældne, og andre faktorer kan påvirke partikler i atomer. Derfor indeholder målingerne få data, og resultaterne har en høj fejl.
Hvad viste forsøget med spejlkerner?
For at omgå denne begrænsning fandt forskerne op medny metode. De besluttede at bestråle "spejl" atomkerner. Et atom af helium-3 (en stabil isotop af helium) har det samme antal nukleoner som tritium (en isotop af brint). Men hvis kernen i det første tilfælde består af to protoner og en neutron, så er alt i det andet tilfælde præcis det modsatte.
Forskere har indset, at hvis hver af disseatomer, så vil forskellen i nukleonsæt hjælpe til mere præcist at bestemme, hvordan protoner og neutroner i atomkerner interagerer med hinanden. I det nye eksperiment var det muligt at indsamle meget flere data end i tidligere, fordi analysen ikke krævede sjældne tredobbelte tilfældigheder, når begge exciterede partikler fløj ud af kernen, var det nok.
Forskerne rapporterer, at den nye metode er stegetmålenøjagtighed 10 gange. De forventede dog ikke, at vekselvirkningerne mellem nukleoner i simple atomer ville være meget anderledes end de komplekse, der blev testet i tidligere eksperimenter.
I et papir, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftetNaturen, fysikere rapporterer, at andelen af interaktioner mellem identiske partikler (proton-proton og neutron-neutron kollisioner) viste sig at være meget højere: det er omkring 20%.
Vi ønskede at tage væsentligt mere præcise målinger, men forventede ikke, at de ville være meget forskellige.
John Arrington, Berkeley Lab-forsker og medforfatter til et nyt papir
Hvad er næste?
Forskere mener, at forskellen ipartiklernes vekselvirkning kan forklares præcist ud fra kernernes størrelse. De vigtigste spredningsprocesser - ændringer i partiklernes bevægelsesretning, når de kolliderer med andre - forekommer med par af protoner og neutroner, sagde Arrington. Men under bestråling er der andre årsager, der kan forårsage spredning og påvirke alle typer nukleoner.
For eksempel kan de afhænge af afstanden imellempartikler, der er større i lette kerner end i tunge. For at bekræfte denne hypotese eller finde en alternativ forklaring planlægger forskerne at udføre lignende eksperimenter med andre lette atomer.
Forstå de principper, der er ansvarlige for interaktionkompositpartikler er ikke kun af teoretisk, men også praktisk interesse. Disse detaljer er vigtige for dataanalyse i højenergieksperimenter på kvarker, gluoner og andre elementære partikler såsom neutrinoer. Derudover er det disse processer, der forklarer samspillet mellem nukleoner, der danner neutronstjerner.
Læs mere:
De første billeder af den underjordiske del af Mars overraskede videnskabsmænd
En galakse beliggende 12 milliarder lysår fra Jorden 'krøllede sammen' til en Einstein-ring
Planten på Mars producerer ilt med samme hastighed som et gennemsnitligt træ