Der Atomkern ist ein ungewöhnlicher Ort. Es ist bekannt, dass es Protonen und Neutronen enthält. Diese Teilchen, bzw
Geheimnisse der starken Wechselwirkung, diedie Bewegung dieser Teilchen bestimmt, zwingen die Wissenschaftler, nach neuen Wegen zu suchen, um in das Innere des Atoms zu schauen, um zu verstehen, was dort vor sich geht. Physiker entwickelten eine neue Methode, die Spiegelatome verwendet, und stellten fest, dass Protonen mit ihren Protonenkollegen und Neutronen mit ihren Mitneutronen häufiger als erwartet kollidieren.
Was ist eine starke Wechselwirkung?
Die starke Kernkraft ist eine davonfundamentale Wechselwirkungen zusammen mit Gravitation, Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung. Es wird am besten auf der Quantenebene untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Quarks (Elementarteilchen, aus denen Materie besteht) und Gluonen (masselose Träger der starken Wechselwirkung) wird durch die Quantenchromodynamik beschrieben.
Wissenschaftler glauben, dass es jedes Quark gibtTräger einer bestimmten Quantenladung. Es wird Farbe genannt, obwohl dies ein herkömmlicher Begriff ist, der nichts mit optischen Eigenschaften zu tun hat. Darüber hinaus verfügt es über einen definierten Zustandsvektor im komplexen 3D-Farbraum.
Die starke Wechselwirkung ist ein Prozess, bei demQuarks tauschen die vom Gluon getragene Ladung (Farbe) aus. Anders als das Photon in der elektromagnetischen Wechselwirkung, das einzigartig ist und keine eigene Ladung hat, trägt jedes Gluon eine bestimmte Farbe. Die Forscher identifizieren acht Arten solcher Teilchen mit unterschiedlichen Ladungen.
Schema der starken Interaktion. Bild: Manishearth, CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons
Wie der Name schon sagt, ist die starke Kraftam stärksten, aber es wirkt nur auf kurze Entfernungen, vergleichbar mit der Größe eines Atomkerns und weniger. Ein erstaunliches Merkmal dieser Wechselwirkung ist, dass sie mit zunehmendem Abstand zwischen Quarks zunimmt und mit abnehmendem Abstand schwächer wird.
Dieser Effekt verursacht Confinement – das Einschließen von Quarks in Hadronen (zusammengesetzte Teilchen). Daher kann ein Quark nicht im freien Raum existieren, sondern nur als Teil komplexerer Teilchen.
Die Störung der Wechselwirkung zwischen zwei Quarks unter Energieeinwirkung führt zur Geburt eines neuen Paares aus Quark und Antiquark. Animation: Manishearth, CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons
Obwohl die starke Kraft die am weitesten entwickelte Theorie in der Teilchenphysik ist, sind die Wechselwirkungen von zusammengesetzten Teilchen wie Hadronen und Nukleonen (Protonen und Neutronen) sehr schwer zu berechnen.
Wie wird die Wechselwirkung von Nukleonen gemessen?
Bedingtes Modell eines Atoms (links) und Helium-4 (rechts). Grau ist die Elektronenwolke, das vergrößerte Bild zeigt den Kern. Rechtes Bild: Benutzer:Yzmo, CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons
Atomkerne werden oft als dicht dargestelltCluster von Protonen und Neutronen haften zusammen, aber tatsächlich kreisen diese Nukleonen ständig umeinander. Gleichzeitig kollidieren und streuen sie wieder, aber auf dem „elastischen Band“ der starken Wechselwirkung kehren sie zurück. Wissenschaftler schätzen, dass Nukleonen in den meisten Kernen etwa 20 % ihres Lebens in angeregten Zuständen mit hohem Impuls verbringen, die durch diese Kollisionen verursacht werden.
Die richtige Interpretation des Satzes von physikalischenExperimente, wie sie am Large Hadron Collider und anderen Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, hängen davon ab, wie gut Wissenschaftler solche Kollisionen verstehen.
Um sie zu untersuchen, arbeiten Physiker daranAtomkerne mit Strahlen hochenergetischer Elektronen. Wenn man misst, mit welcher Energie und in welche Richtung sich ein Elektron zu bewegen begann, als es mit einem positiv geladenen Proton eines Atomkerns kollidierte, kann man bestimmen, wie schnell es sich bewegte.
Darüber hinaus verfügt es über ein hoch geladenes Elektronausreichender Impuls, um die starke Wechselwirkung zu durchbrechen und das „erregte“ Proton aus dem Atomkern zu schlagen. Beim Aufbrechen der Verbindung wird in einigen Fällen sein „Partner“ nach ihm geworfen – das Teilchen, dem er zuletzt begegnet ist und das durch eine starke Wechselwirkung verbunden ist.
In klassischen Experimenten verwenden PhysikerZählen solcher "ausgestoßener" Paare von zwei Protonen oder einem Proton und einem Neutron, um zu bestimmen, wie die Nukleonen in den Atomen des Kerns interagieren. Experimente, bei denen Kerne verschiedener Atome von Kohlenstoff mit 12 Nukleonen bis Blei mit 208 mit Elektronen bestrahlt wurden, zeigten ungefähr die gleiche Verteilung: Fast 95 % aller Stöße finden in Proton-Neutron-Paaren statt, 5 % sind Wechselwirkungen zwischen identischen Nukleonen.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zGenaue Kollisionen, bei denen beide Teilchen aus dem Kern emittiert werden, sind ziemlich selten, und andere Faktoren können Teilchen in Atomen beeinflussen. Daher enthalten die Messungen wenig Daten und die Ergebnisse weisen einen hohen Fehler auf.
Was hat das Experiment mit Spiegelkernen gezeigt?
Um diese Einschränkung zu umgehen, haben sich Wissenschaftler etwas einfallen lassenneue Methode. Sie beschlossen, „Spiegel“-Atomkerne zu bestrahlen. Ein Helium-3-Atom (ein stabiles Heliumisotop) hat die gleiche Anzahl von Nukleonen wie Tritium (ein Wasserstoffisotop). Besteht der Kern aber im ersten Fall aus zwei Protonen und einem Neutron, dann ist im zweiten Fall alles genau umgekehrt.
Wissenschaftler haben erkannt, dass, wenn jedes dieserAtome, dann hilft der Unterschied in den Nukleonensätzen dabei, genauer zu bestimmen, wie Protonen und Neutronen von Atomkernen miteinander interagieren. Im neuen Experiment konnten viel mehr Daten gesammelt werden als in den vorherigen, da für die Analyse keine seltenen dreifachen Koinzidenzereignisse erforderlich waren, bei denen beide angeregten Teilchen aus dem Kern flogen; bereits eines reichte aus.
Die Forscher berichten, dass die neue Methode zugenommen hatMessgenauigkeit 10 mal. Sie erwarteten jedoch nicht, dass sich die Wechselwirkungen von Nukleonen in einfachen Atomen stark von den komplexen unterscheiden würden, die in früheren Experimenten getestet wurden.
In einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten ArtikelNaturphysiker berichten, dass der Anteil der Wechselwirkungen zwischen identischen Teilchen (Proton-Proton- und Neutron-Neutron-Kollisionen) viel höher ausgefallen ist: Er liegt bei etwa 20%.
Wir wollten deutlich genauere Messungen vornehmen, haben aber nicht erwartet, dass sie sehr unterschiedlich sind.
John Arrington, Forscher im Berkeley Lab und Co-Autor eines neuen Artikels
Was weiter?
Forscher glauben, dass der Unterschied indie wechselwirkung von teilchen lässt sich genau durch die größe der kerne erklären. Die wichtigsten Streuprozesse – Änderungen der Bewegungsrichtung von Teilchen beim Zusammenstoß mit anderen – treten bei Paaren von Protonen und Neutronen auf, sagte Arrington. Aber während der Bestrahlung gibt es andere Ursachen, die Streuung verursachen und alle Arten von Nukleonen beeinflussen können.
Sie können beispielsweise vom Abstand dazwischen abhängenTeilchen, die in leichten Kernen größer sind als in schweren. Um diese Hypothese zu bestätigen oder eine alternative Erklärung zu finden, planen Wissenschaftler, ähnliche Experimente mit anderen leichten Atomen durchzuführen.
Verständnis der Prinzipien, die für die Interaktion verantwortlich sindKompositpartikel ist nicht nur von theoretischem, sondern auch praktischem Interesse. Diese Details sind wichtig für die Datenanalyse in Hochenergieexperimenten an Quarks, Gluonen und anderen Elementarteilchen wie Neutrinos. Darüber hinaus sind es diese Prozesse, die die Wechselwirkung von Nukleonen erklären, die Neutronensterne bilden.
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