原子核は珍しい場所です。陽子と中性子が含まれていることが知られています。これらの粒子、または
強い相互作用の謎これらの粒子の動きを決定するため、科学者はそこで何が起こっているのかを理解するために、原子の内部を調べる新しい方法を探さなければなりません。物理学者は、ミラー原子を使用する新しい方法を思いつき、予想よりも頻繁に、陽子が仲間の陽子と衝突し、中性子が仲間の中性子と衝突することを発見しました。
強い相互作用とは何ですか？
強力な核力はその一つです重力、電磁気、および弱い相互作用に加えて、基本的な相互作用。それは量子レベルで最もよく研究されています。クォーク (物質を構成する素粒子) とグルオン (強い相互作用の質量のないキャリア) の間の相互作用は、量子色力学によって記述されます。
科学者たちは、すべてのクォークは特定の量子電荷のキャリア。それは色と呼ばれますが、これは光学特性とは何の関係もない慣習的な用語です。さらに、複雑な 3D 色空間で定義された状態ベクトルがあります。
強い相互作用は、グルオンが持つクォーク交換電荷 (色)。電磁相互作用における光子は固有であり、それ自体は電荷を持たないのに対し、各グルオンは特定の色を持っています。研究者は、異なる電荷を持つ 8 種類の粒子を特定しました。
強力な相互作用のスキーム。画像: マニッシュアース、CC BY-SA 3.0、ウィキメディア コモンズ経由
その名の通り、その強力な力は、最も強力ですが、原子核以下の短距離でのみ作用します。この相互作用の驚くべき特徴は、クォーク間の距離が増加すると距離が増加し、減少すると弱くなることです。
この効果は、ハドロン (複合粒子) 内のクォークの閉じ込め - 閉じ込めを引き起こします。したがって、クォークは自由空間には存在できず、より複雑な粒子の一部としてのみ存在できます。
エネルギーの作用下での 2 つのクォーク間の相互作用の破壊は、クォークと反クォークの新しいペアの誕生につながります。アニメーション: マニアース、CC BY-SA 3.0、ウィキメディア コモンズ経由
強い力は素粒子物理学で最もよく発達した理論ですが、ハドロンと核子 (陽子と中性子) などの複合粒子の相互作用は計算が非常に困難です。
核子の相互作用はどのように測定されますか?
原子 (左) とヘリウム 4 (右) の条件付きモデル。灰色は電子雲、拡大画像は原子核を示しています。右の画像: ユーザー:Yzmo、CC BY-SA 3.0、ウィキメディア コモンズ経由
原子核はしばしば高密度で描かれます陽子と中性子のクラスターがくっついていますが、実際にはこれらの核子は常に互いの周りを回転しています。同時に、それらは再び衝突して分散しますが、強い相互作用の「弾性バンド」で元に戻ります。ほとんどの核では、科学者は、核子がこれらの衝突によって引き起こされる高運動量の励起状態で寿命の約 20% を過ごすと推定しています。
物理的なセットの正しい解釈大型ハドロン衝突型加速器やその他の粒子加速器で行われるような実験は、科学者がそのような衝突をどれだけよく理解しているかにかかっています。
それらを研究するために、物理学者は次のことに取り組んでいます高エネルギー電子のビームを持つ原子核。電子が原子核の正に帯電した陽子と衝突したときに、どのようなエネルギーでどの方向に移動し始めたかを測定すると、電子がどのくらいの速さで移動したかを知ることができます。
さらに、高度に帯電した電子は、強い相互作用を破壊し、「励起された」陽子を原子核から叩き出すのに十分な運動量。接続を切断する過程で、多くの場合、彼の「パートナー」が彼の後に放り出されます。これは、彼が最後に遭遇した粒子であり、強い相互作用によって接続されています。
古典的な実験では、物理学者はこのような「放出された」2 つの陽子、または陽子と中性子のペアを数えて、核子が核の原子内でどのように相互作用するかを決定します。 12 個の核子を持つ炭素から 208 個の核子を持つ鉛まで、さまざまな原子核に電子を照射した実験では、ほぼ同じ分布が示されました。すべての衝突のほぼ 95% が陽子-中性子ペアであり、5% が同一の核子間の相互作用にあります。
この方法の欠点は、両方の粒子が核から放出される正確な衝突は非常にまれであり、他の要因が原子内の粒子に影響を与える可能性があります。したがって、測定値にはほとんどデータが含まれておらず、結果には大きな誤差があります。
鏡核の実験は何を示しましたか?
この制限を回避するために、科学者は次のことを考え出しました。新しい方法。彼らは「鏡」原子核を照射することに決めました。ヘリウム 3 (ヘリウムの安定同位体) の原子は、トリチウム (水素の同位体) と同じ数の核子を持っています。しかし、最初のケースで原子核が 2 つの陽子と 1 つの中性子で構成されている場合、2 番目のケースではすべてがまったく逆になります。
科学者たちは、これらのそれぞれが原子の場合、核子セットの違いは、原子核の陽子と中性子がどのように相互作用するかをより正確に判断するのに役立ちます。新しい実験では、両方の励起粒子が原子核から飛び出すという稀な三重一致現象を解析に必要とせず、片方でも十分であったため、以前の実験よりもはるかに多くのデータを収集することができた。
研究者は、新しい方法が増加したと報告しています測定精度10倍。しかし、彼らは、単純な原子における核子の相互作用が、以前の実験でテストされた複雑なものと大きく異なるとは予想していませんでした。
最近ジャーナルに掲載された論文で自然界では、物理学者は、同一の粒子間の相互作用 (陽子-陽子および中性子-中性子の衝突) の割合がはるかに高く、約 20% であることが判明したと報告しています。
はるかに正確な測定を行いたかったのですが、それらが大きく異なるとは予想していませんでした。
バークレー研究所の研究者であり、新しい論文の共著者である John Arrington 氏
次は何ですか？
研究者は、違いは粒子の相互作用は、核の大きさによって正確に説明できます。 Arrington 氏によると、主な散乱プロセス (他の粒子と衝突する際の粒子の移動方向の変化) は、陽子と中性子のペアで発生します。しかし、照射中には、散乱を引き起こし、すべてのタイプの核子に影響を与える可能性のある他の原因があります。
たとえば、それらは間の距離に依存する可能性があります。重い原子核よりも軽い原子核の方が大きい粒子。この仮説を確認するか、別の説明を見つけるために、科学者たちは他の軽い原子を使って同様の実験を行うことを計画しています。
相互作用の原理を理解する複合粒子は、理論的なだけでなく、実用的な関心事でもあります。これらの詳細は、クォーク、グルオン、およびニュートリノなどの他の素粒子に関する高エネルギー実験でのデータ分析にとって重要です。さらに、中性子星を形成する核子の相互作用を説明するのはこれらのプロセスです。
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