Ο ατομικός πυρήνας είναι ένα ασυνήθιστο μέρος. Είναι γνωστό ότι περιέχει πρωτόνια και νετρόνια. Αυτά τα σωματίδια, ή
Μυστήρια της ισχυρής αλληλεπίδρασης, πουκαθορίζει την κίνηση αυτών των σωματιδίων, αναγκάζοντας τους επιστήμονες να αναζητήσουν νέους τρόπους για να ψάξουν μέσα στο άτομο για να καταλάβουν τι συμβαίνει εκεί. Οι φυσικοί κατέληξαν σε μια νέα μέθοδο που χρησιμοποιεί κατοπτρικά άτομα και διαπίστωσαν ότι τα πρωτόνια συγκρούονται με τα άλλα πρωτόνια τους και τα νετρόνια με τα άλλα νετρόνια τους, συχνότερα από ό,τι αναμενόταν.
Τι είναι μια ισχυρή αλληλεπίδραση;
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι ένα απόθεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μαζί με τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό και την ασθενή αλληλεπίδραση. Είναι καλύτερα να μελετηθεί σε κβαντικό επίπεδο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ (στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν την ύλη) και των γκλουονίων (φορείς χωρίς μάζα της ισχυρής αλληλεπίδρασης) περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κάθε κουάρκ είναιφορέας ενός συγκεκριμένου κβαντικού φορτίου. Ονομάζεται χρώμα, αν και αυτός είναι ένας συμβατικός όρος που δεν έχει καμία σχέση με τις οπτικές ιδιότητες. Επιπλέον, έχει καθορισμένο διάνυσμα κατάστασης σε σύνθετο τρισδιάστατο χρωματικό χώρο.
Η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι μια διαδικασία κατά την οποίατα κουάρκ ανταλλάσσουν φορτίο (χρώμα) που μεταφέρεται από το γλουόνιο. Σε αντίθεση με το φωτόνιο στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, το οποίο είναι μοναδικό και δεν έχει δικό του φορτίο, κάθε γλουόνιο φέρει ένα συγκεκριμένο χρώμα. Οι ερευνητές εντοπίζουν οκτώ τύπους τέτοιων σωματιδίων με διαφορετικά φορτία.
Σχέδιο ισχυρής αλληλεπίδρασης. Εικόνα: Manishearth, CC BY-SA 3.0, μέσω Wikimedia Commons
Όπως υποδηλώνει το όνομα, η ισχυρή δύναμη είναιτο πιο ισχυρό, αλλά δρα μόνο σε μικρές αποστάσεις, συγκρίσιμες με το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα και λιγότερο. Ένα εκπληκτικό χαρακτηριστικό αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ότι όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των κουάρκ, αυξάνεται και καθώς μειώνεται, εξασθενεί.
Αυτό το φαινόμενο προκαλεί περιορισμό - το κλείδωμα των κουάρκ μέσα στα αδρόνια (σύνθετα σωματίδια). Επομένως, ένα κουάρκ δεν μπορεί να υπάρχει στον ελεύθερο χώρο, αλλά μόνο ως μέρος πιο πολύπλοκων σωματιδίων.
Η διακοπή της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο κουάρκ υπό τη δράση της ενέργειας οδηγεί στη γέννηση ενός νέου ζεύγους κουάρκ και αντικουάρκ. Κινούμενα σχέδια: Manishearth, CC BY-SA 3.0, μέσω Wikimedia Commons
Αν και η ισχυρή δύναμη είναι η πιο καλά ανεπτυγμένη θεωρία στη σωματιδιακή φυσική, οι αλληλεπιδράσεις σύνθετων σωματιδίων όπως τα αδρόνια και τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστούν.
Πώς μετράται η αλληλεπίδραση των νουκλεονίων;
Υπό όρους μοντέλο ατόμου (αριστερά) και ηλίου-4 (δεξιά). Το γκρι χρώμα είναι το σύννεφο ηλεκτρονίων, η μεγεθυμένη εικόνα δείχνει τον πυρήνα. Δεξιά εικόνα: Χρήστης:Yzmo, CC BY-SA 3.0, μέσω Wikimedia Commons
Οι ατομικοί πυρήνες απεικονίζονται συχνά ως πυκνοίσυστάδες πρωτονίων και νετρονίων κολλημένα μεταξύ τους, αλλά στην πραγματικότητα αυτά τα νουκλεόνια περιστρέφονται συνεχώς το ένα γύρω από το άλλο. Ταυτόχρονα, συγκρούονται και σκορπίζονται ξανά, αλλά στην «ελαστική ζώνη» της ισχυρής αλληλεπίδρασης επιστρέφουν πίσω. Στους περισσότερους πυρήνες, οι επιστήμονες υπολογίζουν ότι τα νουκλεόνια περνούν περίπου το 20% της ζωής τους σε καταστάσεις διέγερσης υψηλής ορμής που προκαλούνται από αυτές τις συγκρούσεις.
Η σωστή ερμηνεία του συνόλου των φυσικώνπειράματα, όπως αυτά που διεξάγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και σε άλλους επιταχυντές σωματιδίων, εξαρτώνται από το πόσο καλά κατανοούν οι επιστήμονες τέτοιες συγκρούσεις.
Για να τα μελετήσουν, εργάζονται οι φυσικοίατομικοί πυρήνες με δέσμες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Αν μετρήσετε με ποια ενέργεια και προς ποια κατεύθυνση άρχισε να κινείται ένα ηλεκτρόνιο όταν συγκρούστηκε με θετικά φορτισμένο πρωτόνιο ενός ατομικού πυρήνα, μπορείτε να προσδιορίσετε πόσο γρήγορα κινήθηκε.
Επιπλέον, ένα πολύ φορτισμένο ηλεκτρόνιο έχειαρκετή ορμή για να σπάσει την ισχυρή αλληλεπίδραση και να χτυπήσει το «διεγερμένο» πρωτόνιο έξω από τον ατομικό πυρήνα. Στη διαδικασία διακοπής της σύνδεσης, σε πολλές περιπτώσεις, ο «σύντροφός» του πετιέται έξω πίσω του - το σωματίδιο με το οποίο συνάντησε τελευταία φορά και συνδέεται με μια ισχυρή αλληλεπίδραση.
Στα κλασικά πειράματα, οι φυσικοί χρησιμοποιούνμετρώντας τέτοια «εκτιναχθέντα» ζεύγη δύο πρωτονίων, ή ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου, για να προσδιοριστεί πώς αλληλεπιδρούν τα νουκλεόνια στα άτομα του πυρήνα. Πειράματα στα οποία πυρήνες διαφόρων ατόμων από άνθρακα με 12 νουκλεόνια έως μόλυβδο με 208 ακτινοβολήθηκαν με ηλεκτρόνια έδειξαν περίπου την ίδια κατανομή: σχεδόν το 95% όλων των συγκρούσεων είναι σε ζεύγη πρωτονίων-νετρονίων και το 5% στην αλληλεπίδραση μεταξύ πανομοιότυπων νουκλεονίων.
Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι τέτοιαΟι ακριβείς συγκρούσεις στις οποίες και τα δύο σωματίδια εκπέμπονται από τον πυρήνα είναι αρκετά σπάνιες και άλλοι παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τα σωματίδια στα άτομα. Επομένως, οι μετρήσεις περιέχουν λίγα δεδομένα και τα αποτελέσματα έχουν υψηλό σφάλμα.
Τι έδειξε το πείραμα με πυρήνες καθρέφτη;
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, οι επιστήμονες βρήκαννέα μέθοδος. Αποφάσισαν να ακτινοβολήσουν «καθρέφτες» ατομικούς πυρήνες. Ένα άτομο ηλίου-3 (σταθερό ισότοπο ηλίου) έχει τον ίδιο αριθμό νουκλεονίων με το τρίτιο (ισότοπο υδρογόνου). Αν όμως στην πρώτη περίπτωση ο πυρήνας αποτελείται από δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο, τότε στη δεύτερη περίπτωση όλα είναι ακριβώς το αντίθετο.
Οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει ότι αν καθένα από αυτάάτομα, τότε η διαφορά στα σύνολα νουκλεονίων θα βοηθήσει στον ακριβέστερο προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα πρωτόνια και τα νετρόνια των ατομικών πυρήνων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Στο νέο πείραμα, ήταν δυνατό να συλλεχθούν πολύ περισσότερα δεδομένα από τα προηγούμενα, επειδή η ανάλυση δεν απαιτούσε σπάνια γεγονότα τριπλής σύμπτωσης, όταν και τα δύο διεγερμένα σωματίδια πέταξαν έξω από τον πυρήνα· έστω και ένα ήταν αρκετό.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η νέα μέθοδος έχει αυξηθείακρίβεια μέτρησης 10 φορές. Ωστόσο, δεν περίμεναν ότι οι αλληλεπιδράσεις των νουκλεονίων σε απλά άτομα θα ήταν πολύ διαφορετικές από τις πολύπλοκες που δοκιμάστηκαν σε προηγούμενα πειράματα.
Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικόΣτη φύση, οι φυσικοί αναφέρουν ότι το ποσοστό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ πανομοιότυπων σωματιδίων (συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου και νετρονίων-νετρονίων) αποδείχθηκε πολύ υψηλότερο: είναι περίπου 20%.
Θέλαμε να κάνουμε πολύ πιο ακριβείς μετρήσεις, αλλά δεν περιμέναμε να είναι πολύ διαφορετικές.
John Arrington, ερευνητής του Berkeley Lab και συν-συγγραφέας μιας νέας εργασίας
Τι άλλο;
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η διαφορά σεη αλληλεπίδραση των σωματιδίων μπορεί να εξηγηθεί ακριβώς από το μέγεθος των πυρήνων. Οι κύριες διαδικασίες σκέδασης - αλλαγές στην κατεύθυνση κίνησης των σωματιδίων όταν συγκρούονται με άλλα - συμβαίνουν με ζεύγη πρωτονίων και νετρονίων, είπε ο Arrington. Αλλά κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας, υπάρχουν και άλλες αιτίες που μπορούν να προκαλέσουν σκέδαση και να επηρεάσουν όλους τους τύπους νουκλεονίων.
Για παράδειγμα, μπορεί να εξαρτώνται από την απόσταση μεταξύ τουςσωματίδια που είναι μεγαλύτερα στους ελαφρούς πυρήνες παρά στους βαρείς. Για να επιβεβαιώσουν αυτή την υπόθεση ή να βρουν μια εναλλακτική εξήγηση, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να πραγματοποιήσουν παρόμοια πειράματα με άλλα ελαφρά άτομα.
Κατανόηση των αρχών που είναι υπεύθυνες για την αλληλεπίδρασηΤα σύνθετα σωματίδια δεν έχουν μόνο θεωρητικό αλλά και πρακτικό ενδιαφέρον. Αυτές οι λεπτομέρειες είναι σημαντικές για την ανάλυση δεδομένων σε πειράματα υψηλής ενέργειας σε κουάρκ, γκλουόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα νετρίνα. Επιπλέον, αυτές οι διεργασίες είναι που εξηγούν την αλληλεπίδραση των νουκλεονίων που σχηματίζουν αστέρια νετρονίων.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι πρώτες εικόνες του υπόγειου τμήματος του Άρη εξέπληξαν τους επιστήμονες
Ένας γαλαξίας που βρίσκεται 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη «κουλουριάστηκε» σε έναν δακτύλιο του Αϊνστάιν
Το φυτό στον Άρη παράγει οξυγόνο με ρυθμό ενός μέσου δέντρου