Az atommag szokatlan hely. Ismeretes, hogy protonokat és neutronokat tartalmaz. Ezek a részecskék, ill
Az erős interakció rejtelmei, amelyekmeghatározza ezeknek a részecskéknek a mozgását, arra kényszeríti a tudósokat, hogy új módokat keressenek az atom belsejébe nézni, hogy megértsék, mi történik ott. A fizikusok új módszerrel álltak elő, amely tüköratomokat használ, és azt találták, hogy a protonok a vártnál gyakrabban ütköznek más protonjaikkal, a neutronok pedig a többi neutronukkal.
Mi az erős interakció?
Az erős nukleáris erő az egyikalapvető kölcsönhatások, valamint a gravitáció, az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás. A legjobban kvantumszinten lehet tanulmányozni. A kvarkok (anyagot alkotó elemi részecskék) és a gluonok (az erős kölcsönhatás tömeg nélküli hordozói) közötti kölcsönhatást a kvantumkromodinamika írja le.
A tudósok úgy vélik, hogy minden kvark azmeghatározott kvantumtöltés hordozója. Színnek hívják, bár ez egy hagyományos kifejezés, aminek semmi köze az optikai tulajdonságokhoz. Ezenkívül van egy meghatározott állapotvektora összetett 3D színtérben.
Az erős interakció olyan folyamat, amelybenkvarkok a gluon által hordozott töltést (színt) cserélik. Ellentétben az elektromágneses kölcsönhatásban lévő fotonnal, amely egyedi, és nincs saját töltése, minden gluon egy meghatározott színt hordoz. A kutatók nyolcféle ilyen, különböző töltésű részecskét azonosítanak.
Erős kölcsönhatás sémája. Kép: Manishearth, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Ahogy a neve is sugallja, az erős erő aza legerősebb, de csak kis távolságokra hat, egy atommag méretéhez mérhető és kisebb. Ennek a kölcsönhatásnak egy csodálatos tulajdonsága, hogy a kvarkok közötti távolság növekedésével növekszik, csökkenésével pedig gyengül.
Ez a hatás bezártságot okoz – a kvarkok bezáródását a hadronok (összetett részecskék) belsejébe. Ezért a kvark nem létezhet szabad térben, hanem csak bonyolultabb részecskék részeként.
A két kvark közötti kölcsönhatás megszakadása az energia hatására egy új kvark és antikvark pár megszületéséhez vezet. Animáció: Manishearth, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Bár az erős erő a részecskefizika legfejlettebb elmélete, az összetett részecskék, például a hadronok és a nukleonok (protonok és neutronok) kölcsönhatásait nagyon nehéz kiszámítani.
Hogyan mérhető a nukleonok kölcsönhatása?
Egy atom (balra) és hélium-4 (jobbra) feltételes modellje. A szürke szín az elektronfelhő, a kinagyított képen az atommag látható. Jobb oldali kép: User:Yzmo, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Az atommagokat gyakran sűrűnek ábrázoljákproton- és neutronhalmazok tapadtak össze, de valójában ezek a nukleonok folyamatosan keringenek egymás körül. Ugyanakkor újra ütköznek és szétszóródnak, de az erős kölcsönhatás „rugalmas sávján” visszatérnek. A legtöbb atommag esetében a tudósok becslése szerint a nukleonok életük körülbelül 20%-át ezek az ütközések okozta nagy lendületű gerjesztett állapotban töltik.
A fizikai halmaz helyes értelmezésea kísérletek, például a Nagy Hadronütköztetőben és más részecskegyorsítókban végzett kísérletek attól függnek, hogy a tudósok mennyire értik meg az ilyen ütközéseket.
Ezek tanulmányozásán a fizikusok dolgoznakatommagok nagy energiájú elektronnyalábokkal. Ha megméri, hogy egy elektron milyen energiával és milyen irányba kezdett el mozogni, amikor egy atommag pozitív töltésű protonjával ütközött, akkor meghatározhatja, milyen gyorsan mozgott.
Ezenkívül egy erősen töltött elektronnak vanelegendő lendület ahhoz, hogy megtörje az erős kölcsönhatást és kiüsse a „gerjesztett” protont az atommagból. A kapcsolat megszakítása során számos esetben kidobják utána a „társát” – azt a részecskét, amellyel utoljára találkozott, és erős kölcsönhatás köti össze.
A klasszikus kísérletekben a fizikusok használjákaz ilyen "kidobott" két protonpárok, vagy egy proton és egy neutron megszámlálása annak meghatározására, hogy a nukleonok miként lépnek kölcsönhatásba az atommag atomjaiban. Azok a kísérletek, amelyek során a 12 nukleonos széntől a 208 nukleonos ólomig különböző atommagokat sugároztak be elektronokkal, megközelítőleg azonos eloszlást mutattak: az összes ütközés csaknem 95%-a proton-neutron párokban, 5%-a pedig azonos nukleonok közötti kölcsönhatásban történik.
Ennek a módszernek az a hátránya, hogy olyanAz olyan pontos ütközések, amelyek során mindkét részecske kibocsátódik az atommagból, meglehetősen ritkák, és más tényezők is befolyásolhatják az atomokban lévő részecskéket. Ezért a mérések kevés adatot tartalmaznak, és az eredmények nagy hibával rendelkeznek.
Mit mutatott ki a tükörmagokkal végzett kísérlet?
Ennek a korlátnak a megkerülésére a tudósok előálltakúj módszer. Úgy döntöttek, hogy „tükör” atommagokat sugároznak be. A hélium-3 (a hélium stabil izotópja) atomja ugyanannyi nukleont tartalmaz, mint a trícium (a hidrogén izotópja). De ha az első esetben az atommag két protonból és egy neutronból áll, akkor a második esetben minden pontosan az ellenkezője.
A tudósok rájöttek, hogy ha ezek mindegyikeatomok, akkor a nukleonkészletek különbsége segít pontosabban meghatározni, hogy az atommagok protonjai és neutronjai hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással. Az új kísérletben jóval több adatot sikerült gyűjteni, mint a korábbiaknál, mert az elemzéshez nem volt szükség ritka hármas egybeesésekre, amikor mindkét gerjesztett részecske kirepült a magból;
A kutatók jelentése szerint az új módszer elterjedt10-szeres mérési pontosság. Arra azonban nem számítottak, hogy az egyszerű atomokban lévő nukleonok kölcsönhatásai nagyban eltérnek a korábbi kísérletekben tesztelt összetettektől.
A folyóiratban nemrég megjelent cikkbenA természet, a fizikusok jelentése szerint az azonos részecskék közötti kölcsönhatások aránya (proton-proton és neutron-neutron ütközések) sokkal magasabbnak bizonyult: ez körülbelül 20%.
Szerettünk volna lényegesen pontosabb méréseket végezni, de nem számítottunk arra, hogy ezek nagyon eltérőek lesznek.
John Arrington, a Berkeley Lab kutatója és egy új tanulmány társszerzője
Mi a következő?
A kutatók úgy vélik, hogy a különbség aa részecskék kölcsönhatása pontosan az atommagok méretével magyarázható. A fő szórási folyamatok - a részecskék mozgási irányának megváltozása másokkal való ütközéskor - proton- és neutronpárokkal történik - mondta Arrington. De a besugárzás során vannak más okok is, amelyek szóródást okozhatnak, és minden típusú nukleonra hatással lehetnek.
Például függhetnek a távolságtólolyan részecskék, amelyek a könnyű magokban nagyobbak, mint a nehézekben. E hipotézis megerősítésére vagy alternatív magyarázat megtalálására a tudósok hasonló kísérleteket terveznek végezni más könnyű atomokkal.
Az interakcióért felelős elvek megértéseAz összetett részecskék nemcsak elméleti, hanem gyakorlati szempontból is érdekesek. Ezek a részletek fontosak a kvarkokkal, gluonokkal és más elemi részecskékkel, például neutrínókkal végzett nagy energiájú kísérletek adatelemzéséhez. Ráadásul ezek a folyamatok magyarázzák a neutroncsillagokat alkotó nukleonok kölcsönhatását.
Olvass tovább:
A Mars föld alatti részéről készült első képek meglepték a tudósokat
A Földtől 12 milliárd fényévnyire található galaxis Einstein-gyűrűvé "gömbölyödött össze".
A Marson lévő növény egy átlagos fa sebességével termel oxigént