Atomska jezgra neobično je mjesto. Poznato je da sadrži protone i neutrone. Ove čestice, odn
Misterije snažne interakcije, kojeodređuje kretanje tih čestica, tjera znanstvenike da traže nove načine da pogledaju unutar atoma kako bi razumjeli što se tamo događa. Fizičari su osmislili novu metodu koja koristi zrcalne atome i otkrili da se protoni sudaraju sa svojim kolegama protonima, a neutroni sa svojim kolegama neutronima, češće nego što se očekivalo.
Što je snažna interakcija?
Snažna nuklearna sila jedna je odtemeljne interakcije zajedno s gravitacijom, elektromagnetizmom i slabom interakcijom. Najbolje se proučava na kvantnoj razini. Interakcija između kvarkova (elementarnih čestica koje čine tvar) i gluona (bezmasenih nositelja jake interakcije) opisuje se kvantnom kromodinamikom.
Znanstvenici vjeruju da je svaki kvarknositelj specifičnog kvantnog naboja. Zove se boja, iako je to konvencionalan pojam koji nema nikakve veze s optičkim svojstvima. Osim toga, ima definiran vektor stanja u složenom 3D prostoru boja.
Snažna interakcija je proces u kojemkvarkovi razmjenjuju naboj (boju) koji nosi gluon. Za razliku od fotona u elektromagnetskoj interakciji, koji je jedinstven i nema vlastiti naboj, svaki gluon nosi određenu boju. Istraživači identificiraju osam vrsta takvih čestica s različitim nabojima.
Shema jake interakcije. Slika: Manishearth, CC BY-SA 3.0, putem Wikimedia Commons
Kao što ime govori, jaka sila jenajsnažniji, ali djeluje samo na kratkim udaljenostima, usporedivim s veličinom atomske jezgre i manjim. Nevjerojatna značajka ove interakcije jest da se s povećanjem udaljenosti između kvarkova ona povećava, a kako se smanjuje, slabi.
Ovaj efekt uzrokuje zatvorenost - zaključavanje kvarkova unutar hadrona (spojenih čestica). Dakle, kvark ne može postojati u slobodnom prostoru, već samo kao dio složenijih čestica.
Poremećaj međudjelovanja između dva kvarka pod djelovanjem energije dovodi do rađanja novog para kvarka i antikvarka. Animacija: Manishearth, CC BY-SA 3.0, putem Wikimedia Commons
Iako je jaka sila najrazvijenija teorija u fizici čestica, interakcije složenih čestica kao što su hadroni i nukleoni (protoni i neutroni) vrlo je teško izračunati.
Kako se mjeri međudjelovanje nukleona?
Uvjetni model atoma (lijevo) i helija-4 (desno). Siva boja je elektronski oblak, uvećana slika prikazuje jezgru. Desna slika: Korisnik: Yzmo, CC BY-SA 3.0, putem Wikimedia Commons
Atomske jezgre često se prikazuju kao gusteskupovi protona i neutrona zalijepljeni zajedno, ali zapravo se ti nukleoni neprestano okreću jedan oko drugoga. Pritom se ponovno sudaraju i raspršuju, ali se na “elastičnu traku” snažne interakcije vraćaju natrag. U većini jezgri, znanstvenici procjenjuju da nukleoni provedu oko 20% svog života u pobuđenim stanjima visokog momenta uzrokovanim tim sudarima.
Ispravna interpretacija skupa fizikalniheksperimenti, poput onih koji se provode na Velikom hadronskom sudaraču i drugim akceleratorima čestica, ovise o tome koliko dobro znanstvenici razumiju takve sudare.
Fizičari rade na njihovom proučavanjuatomske jezgre sa snopovima elektrona visoke energije. Ako izmjerite s kojom energijom iu kojem smjeru se elektron počeo kretati kada se sudario s pozitivno nabijenim protonom atomske jezgre, možete odrediti koliko se brzo kretao.
Osim toga, visoko nabijeni elektron imadovoljan zamah da prekine snažnu interakciju i izbaci "pobuđeni" proton iz atomske jezgre. U procesu prekida veze u nizu slučajeva za njim biva izbačen njegov “partner” - čestica s kojom se zadnji put susreo i koja je povezana snažnom interakcijom.
U klasičnim eksperimentima fizičari koristebrojanje takvih "izbačenih" parova dvaju protona, ili protona i neutrona, kako bi se odredilo kako nukleoni međusobno djeluju u atomima jezgre. Eksperimenti u kojima su jezgre različitih atoma od ugljika s 12 nukleona do olova s 208 bili ozračeni elektronima pokazali su približno istu raspodjelu: gotovo 95% svih sudara je u parovima proton-neutron, a 5% je u interakciji između istovjetnih nukleona.
Nedostatak ove metode je što takavtočni sudari u kojima se obje čestice emitiraju iz jezgre prilično su rijetki, a drugi čimbenici mogu utjecati na čestice u atomima. Stoga mjerenja sadrže malo podataka, a rezultati imaju veliku pogrešku.
Što je pokazao pokus sa zrcalnim jezgrama?
Kako bi zaobišli ovo ograničenje, znanstvenici su smislilinova metoda. Odlučili su ozračiti "zrcalne" atomske jezgre. Atom helija-3 (stabilni izotop helija) ima isti broj nukleona kao tricij (izotop vodika). No, ako se u prvom slučaju jezgra sastoji od dva protona i jednog neutrona, onda je u drugom slučaju sve upravo suprotno.
Znanstvenici su shvatili da ako svaki od ovihatoma, tada će razlika u skupovima nukleona pomoći da se točnije odredi kako protoni i neutroni atomskih jezgri međusobno djeluju. Novi eksperiment je uspio prikupiti mnogo više podataka od prethodnih, jer analiza nije zahtijevala rijetke trostruke slučajnosti, kada su obje pobuđene čestice izletjele iz jezgre; čak je i jedna bila dovoljna.
Istraživači izvješćuju da je nova metoda povećalatočnost mjerenja 10 puta. Međutim, nisu očekivali da će interakcije nukleona u jednostavnim atomima biti jako različite od složenih koje su testirane u prethodnim eksperimentima.
U radu nedavno objavljenom u časopisuPriroda, fizičari izvješćuju da se pokazalo da je udio interakcija između identičnih čestica (sudar proton-proton i neutron-neutron) puno veći: iznosi oko 20%.
Željeli smo izvršiti znatno točnija mjerenja, ali nismo očekivali da će biti jako različita.
John Arrington, istraživač Berkeley Laba i koautor novog rada
Što je sljedeće?
Istraživači vjeruju da razlika umeđudjelovanje čestica može se objasniti upravo veličinom jezgri. Glavni procesi raspršenja - promjene u smjeru kretanja čestica pri sudaru s drugima - događaju se s parovima protona i neutrona, rekao je Arrington. Ali tijekom zračenja postoje i drugi uzroci koji mogu uzrokovati raspršenje i utjecati na sve vrste nukleona.
Na primjer, mogu ovisiti o udaljenosti izmeđučestice koje su veće u lakim jezgrama nego u teškim. Kako bi potvrdili ovu hipotezu ili pronašli alternativno objašnjenje, znanstvenici planiraju provesti slične eksperimente s drugim lakim atomima.
Razumijevanje principa odgovornih za interakcijukompozitnih čestica je od ne samo teorijskog već i praktičnog interesa. Ovi su detalji važni za analizu podataka u visokoenergetskim eksperimentima na kvarkovima, gluonima i drugim elementarnim česticama poput neutrina. Osim toga, upravo ti procesi objašnjavaju interakciju nukleona koji tvore neutronske zvijezde.
Čitaj više:
Prve slike podzemnog dijela Marsa iznenadile su znanstvenike
Galaksija smještena 12 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje 'sklupčala' se u Einsteinov prsten
Biljka na Marsu proizvodi kisik brzinom prosječnog stabla