Атомное ядро — необычное место. Известно, что в его состав входят протоны и нейтроны. Эти частицы, или
Mysteerit vahvan vuorovaikutuksen, jokamäärittää näiden hiukkasten liikkeen, pakottaa tutkijat etsimään uusia tapoja katsoa atomin sisään ymmärtääkseen, mitä siellä tapahtuu. Fyysikot keksivät uuden menetelmän, jossa käytetään peiliatomeja ja havaitsivat, että protonit törmäävät muiden protonien kanssa ja neutronit törmäävät muiden neutronien kanssa odotettua useammin.
Mitä on vahva vuorovaikutus?
Vahva ydinvoima on yksiperustavanlaatuiset vuorovaikutukset sekä painovoima, sähkömagnetismi ja heikko vuorovaikutus. Sitä on parasta tutkia kvanttitasolla. Kvarkkien (aineen muodostavat alkuainehiukkaset) ja gluonien (voimakkaan vuorovaikutuksen massattomat kantajat) välistä vuorovaikutusta kuvaa kvanttikromodynamiikka.
Ученые считают, что каждый кварк является носителем специфического квантового заряда. Его называют цветом, хотя это условный термин, который не имеет отношения к оптическим свойствам. Кроме того, у него есть определенный вектор состояния в комплексном трехмерном цветном пространстве.
Vahva vuorovaikutus on prosessi, jossakvarkit vaihtavat gluonin kantamaa varausta (väriä). Toisin kuin sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa oleva fotoni, joka on ainutlaatuinen ja jolla ei ole omaa varausta, jokaisella gluonilla on tietty väri. Tutkijat tunnistavat kahdeksan tyyppiä tällaisia hiukkasia, joilla on erilaiset varaukset.
Схема сильного взаимодействия. Изображение: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Как понятно из названия, сильное взаимодействие — самое мощное, но действует оно только на небольших расстояниях, сравнимых с размером атомного ядра и меньше. Удивительная особенность этого взаимодействия в том, что при увеличении расстояния между кварками оно возрастает, а при уменьшении — ослабевает.
Tämä vaikutus aiheuttaa rajoittumisen - kvarkkien lukitsemisen hadronien (yhdistehiukkasten) sisään. Siksi kvarkki ei voi olla vapaassa tilassa, vaan vain osana monimutkaisempia hiukkasia.
Kahden kvarkin välisen vuorovaikutuksen katkeaminen energian vaikutuksesta johtaa uuden kvarkin ja antikvarkin parin syntymiseen. Animaatio: Manishearth, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commonsin kautta
Vaikka voimakas voima on hiukkasfysiikan parhaiten kehittynyt teoria, yhdistelmähiukkasten, kuten hadronien ja nukleonien (protonien ja neutronien) vuorovaikutuksia on erittäin vaikea laskea.
Miten nukleonien vuorovaikutusta mitataan?
Условная модель атома (слева) и гелия-4 (справа). Серый цвет — электронное облако, на увеличенном изображении показано ядро. Изображение справа: User:Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Atomiytimet kuvataan usein tiheinäprotonien ja neutronien klustereita juuttuneet yhteen, mutta itse asiassa nämä nukleonit pyörivät jatkuvasti toistensa ympärillä. Samalla ne törmäävät ja hajoavat uudelleen, mutta vahvan vuorovaikutuksen "kimmonauhalla" ne palaavat takaisin. Useimmissa ytimissä tutkijat arvioivat, että nukleonit viettävät noin 20 % elämästään näiden törmäysten aiheuttamissa kiihtyneissä tiloissa.
Oikea tulkinta joukosta fyysisiäKokeet, kuten Large Hadron Colliderissa ja muissa hiukkaskiihdyttimissä tehdyt kokeet, riippuvat siitä, kuinka hyvin tutkijat ymmärtävät tällaiset törmäykset.
Для их исследования физики воздействуют на атомные ядра пучками высокоэнергетических электронов. Если измерить, с какой энергией и в каком направлении начал двигаться электрон, столкнувшийся с положительно заряженным протоном атомного ядра, можно определить, как быстро он двигался.
Кроме того, высокозаряженный электрон обладает достаточным импульсом, чтобы разорвать сильное взаимодействие и выбить «возбужденный» протон из атомного ядра. В процессе разрыва связи в ряде случаев следом за ним выбрасывает и его «партнера» — частицу, с которой он столкнулся последний раз и связан сильным взаимодействием.
Klassisissa kokeissa fyysikot käyttävätlaskemalla tällaiset kahden protonin tai protonin ja neutronin "syrjäytyneet" parit sen määrittämiseksi, kuinka nukleonit ovat vuorovaikutuksessa ytimen atomeissa. Kokeet, joissa eri atomien ytimiä hiilestä, jossa on 12 nukleonista lyijyä, 208, säteilytettiin elektroneilla, osoittivat suunnilleen saman jakautumisen: lähes 95% kaikista törmäyksistä tapahtuu protoni-neutroni-pareissa ja 5% on vuorovaikutuksessa identtisten nukleonien välillä.
Tämän menetelmän haittana on, että sellainentarkat törmäykset, joissa molemmat hiukkaset vapautuvat ytimestä, ovat melko harvinaisia, ja muut tekijät voivat vaikuttaa atomien hiukkasiin. Siksi mittaukset sisältävät vähän tietoa ja tuloksissa on suuri virhe.
Mitä peiliytimien koe osoitti?
Чтобы обойти это ограничение, ученые придумали новый метод. Они решили облучать «зеркальные» атомные ядра. В атоме гелия-3 (стабильного изотопа гелия) такое же количество нуклонов, как и в тритии (изотоп водорода). Но если в первом случае ядро состоит из двух протонов и одного нейтрона, то во втором — все с точностью наоборот.
Ученые поняли, что если облучать каждый из этих атомов, то разница в наборах нуклона поможет точнее определить, как взаимодействуют между собой протоны и нейтроны атомных ядер. В новом эксперименте удалось собрать гораздо больше данных, чем в предыдущих, потому что анализ не требовал редких событий тройного совпадения, когда из ядра вылетали обе возбужденные частицы, достаточно было даже одной.
Tutkijoiden mukaan uusi menetelmä on lisääntynytmittaustarkkuus 10 kertaa. He eivät kuitenkaan odottaneet, että nukleonien vuorovaikutukset yksinkertaisissa atomeissa olisivat hyvin erilaisia kuin monimutkaiset, joita testattiin aikaisemmissa kokeissa.
Äskettäin lehdessä julkaistussa artikkelissaLuonto, fyysikot raportoivat, että identtisten hiukkasten välisten vuorovaikutusten osuus (protoni-protoni ja neutroni-neutroni törmäykset) osoittautui paljon korkeammaksi: se on noin 20%.
Halusimme tehdä huomattavasti tarkempia mittauksia, mutta emme odottaneet niiden olevan kovin erilaisia.
John Arrington, Berkeley Lab -tutkija ja uuden paperin toinen kirjoittaja
Mitä seuraavaksi?
Tutkijat uskovat, että ero onhiukkasten vuorovaikutus voidaan selittää tarkasti ytimien koolla. Tärkeimmät sirontaprosessit - muutokset hiukkasten liikesuunnassa törmääessään muihin - tapahtuvat protoni- ja neutroniparien kanssa, Arrington sanoi. Mutta säteilytyksen aikana on muita syitä, jotka voivat aiheuttaa sirontaa ja vaikuttaa kaikentyyppisiin nukleoneihin.
Например, они могут зависеть от расстояния между частицами, которые в легких ядрах больше, чем в тяжелых. Чтобы подтвердить эту гипотезу или найти альтернативное объяснение, ученые планируют провести аналогичные эксперименты с другими легкими атомами.
Vuorovaikutuksesta vastaavien periaatteiden ymmärtäminenkomposiittihiukkasten tutkiminen on paitsi teoreettista myös käytännön mielenkiintoista. Nämä yksityiskohdat ovat tärkeitä data-analyysissä korkean energian kokeissa kvarkeilla, gluoneilla ja muilla alkuainehiukkasilla, kuten neutriinoilla. Lisäksi nämä prosessit selittävät neutronitähtiä muodostavien nukleonien vuorovaikutuksen.
Lue lisää:
Ensimmäiset kuvat Marsin maanalaisesta osasta yllättivät tutkijat
Galaksi, joka sijaitsee 12 miljardin valovuoden päässä Maasta, "kiertyi" Einsteinin renkaaksi
Marsin kasvi tuottaa happea keskimääräisen puun nopeudella