원자핵은 특이한 곳이다. 양성자와 중성자가 포함되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 입자 또는
강력한 상호 작용의 신비,이 입자의 움직임을 결정하기 때문에 과학자들은 원자 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해 원자 내부를 들여다볼 수 있는 새로운 방법을 찾아야 합니다. 물리학자들은 거울 원자를 사용하는 새로운 방법을 생각해 냈고 예상보다 더 자주 양성자가 동료 양성자와, 중성자가 동료 중성자와 충돌한다는 사실을 발견했습니다.
강력한 상호 작용이란 무엇입니까?
강력한 핵력은 다음 중 하나입니다.중력, 전자기 및 약한 상호 작용과 함께 기본적인 상호 작용. 양자 수준에서 가장 잘 연구됩니다. 쿼크(물질을 구성하는 기본 입자)와 글루온(강한 상호 작용의 질량 없는 운반체) 간의 상호 작용은 양자 색역학으로 설명됩니다.
과학자들은 모든 쿼크가특정 양자 전하의 운반체. 이를 색상이라고 부르지만 이는 광학적 특성과는 아무런 관련이 없는 일반적인 용어입니다. 또한 복잡한 3D 색상 공간에 정의된 상태 벡터가 있습니다.
강력한 상호 작용은 다음과 같은 과정입니다.글루온이 운반하는 쿼크 교환 전하(색). 고유하고 자체 전하가 없는 전자기 상호 작용의 광자와 달리 각 글루온은 특정 색상을 가지고 있습니다. 연구원들은 전하가 다른 8가지 유형의 입자를 식별합니다.
강력한 상호 작용 계획. 이미지: Manishearth, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons 제공
이름에서 알 수 있듯이 강한 힘은가장 강력하지만 원자핵 크기와 비슷하거나 그 이하인 짧은 거리에서만 작용합니다. 이 상호작용의 놀라운 특징은 쿼크 사이의 거리가 증가하면 거리가 증가하고 감소하면 약해진다는 것입니다.
이 효과는 강입자(화합물 입자) 내부에 쿼크를 잠그는 감금(confinement)을 유발합니다. 따라서 쿼크는 자유 공간에 존재할 수 없으며 더 복잡한 입자의 일부로만 존재할 수 있습니다.
에너지의 작용으로 두 쿼크 사이의 상호 작용이 중단되면 새로운 쿼크와 반쿼크 쌍이 탄생합니다. 애니메이션: Wikimedia Commons를 통한 Manishearth, CC BY-SA 3.0
강한 힘은 입자 물리학에서 가장 잘 발달된 이론이지만 강입자 및 핵자(양성자 및 중성자)와 같은 복합 입자의 상호 작용은 계산하기가 매우 어렵습니다.
핵자의 상호 작용은 어떻게 측정됩니까?
원자(왼쪽)와 헬륨-4(오른쪽)의 조건부 모델. 회색은 전자구름이며, 확대한 이미지는 핵을 나타냅니다. 오른쪽 이미지: 사용자:Yzmo, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons를 통해
원자핵은 종종 밀도가 높은 것으로 묘사됩니다.양성자와 중성자의 무리가 함께 붙어 있지만 사실 이 핵자들은 끊임없이 서로를 중심으로 회전하고 있습니다. 동시에 그들은 다시 충돌하고 흩어지지만 강한 상호 작용의 "탄력 밴드"에서 다시 돌아옵니다. 대부분의 핵에서 과학자들은 핵자가 이러한 충돌로 인한 높은 운동량 들뜬 상태에서 일생의 약 20%를 보낸다고 추정합니다.
물리적 세트의 올바른 해석Large Hadron Collider 및 기타 입자 가속기에서 수행된 것과 같은 실험은 과학자들이 그러한 충돌을 얼마나 잘 이해하는지에 달려 있습니다.
이를 연구하기 위해 물리학자들은 다음 작업을 수행합니다.고에너지 전자빔을 가진 원자핵. 전자가 원자핵의 양전하를 띤 양성자와 충돌했을 때 전자가 어떤 에너지로 어떤 방향으로 움직이기 시작했는지 측정하면 전자가 얼마나 빨리 움직였는지 확인할 수 있습니다.
또한, 고도로 전하를 띤 전자는강한 상호작용을 깨고 "여기된" 양성자를 원자핵 밖으로 밀어낼 만큼 충분한 운동량입니다. 연결을 끊는 과정에서 많은 경우 그의 "파트너"가 그를 따라 쫓겨납니다. 그는 마지막으로 만났고 강력한 상호 작용으로 연결되는 입자입니다.
고전 실험에서 물리학자들은 다음을 사용합니다.핵자가 핵의 원자에서 어떻게 상호 작용하는지 결정하기 위해 두 개의 양성자 또는 양성자와 중성자의 "방출된" 쌍을 계산합니다. 12개의 핵자를 가진 탄소에서 208개의 납까지 다양한 원자의 핵에 전자를 조사한 실험은 거의 동일한 분포를 나타냈습니다. 모든 충돌의 거의 95%는 양성자-중성자 쌍에서 발생하고 5%는 동일한 핵자 간의 상호 작용입니다.
이 방법의 단점은 이러한두 입자가 핵에서 방출되는 정확한 충돌은 매우 드물며 다른 요인이 원자의 입자에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 측정값에 포함된 데이터가 적고 결과 오류가 높습니다.
거울핵 실험은 무엇을 보여주었습니까?
이러한 한계를 극복하기 위해 과학자들은 다음과 같은 방법을 생각해냈습니다.새로운 방법. 그들은 "거울" 원자핵을 조사하기로 결정했습니다. 헬륨-3(헬륨의 안정 동위원소) 원자는 삼중수소(수소 동위원소)와 동일한 수의 핵자를 가지고 있습니다. 그러나 첫 번째 경우에 핵이 두 개의 양성자와 한 개의 중성자로 구성되어 있다면 두 번째 경우에는 모든 것이 정반대입니다.
과학자들은 다음과 같은 사실을 깨달았습니다.원자, 그러면 핵자 세트의 차이는 원자핵의 양성자와 중성자가 서로 상호 작용하는 방식을 더 정확하게 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 새로운 실험에서는 두 개의 들뜬 입자가 핵 밖으로 날아갈 때 분석에 드문 삼중 우연의 일치 사건이 필요하지 않았기 때문에 이전 실험보다 훨씬 더 많은 데이터를 수집할 수 있었습니다.
연구원들은 새로운 방법이 증가했다고 보고합니다.측정 정확도 10배. 그러나 그들은 단순한 원자의 핵자 상호 작용이 이전 실험에서 테스트된 복잡한 핵자 상호 작용과 매우 다를 것이라고 기대하지 않았습니다.
최근 저널에 발표된 논문에서자연에서 물리학자들은 동일한 입자(양성자-양성자 및 중성자-중성자 충돌) 간의 상호 작용 비율이 훨씬 더 높은 것으로 밝혀졌다고 보고합니다. 약 20%입니다.
우리는 훨씬 더 정확한 측정을 원했지만 크게 다를 것이라고는 기대하지 않았습니다.
John Arrington, 버클리 연구소 연구원이자 새 논문의 공동 저자
다음은 무엇입니까?
연구자들은 그 차이가입자의 상호 작용은 핵의 크기로 정확하게 설명할 수 있습니다. 주요 산란 과정(다른 것들과 충돌할 때 입자의 이동 방향 변화)은 양성자와 중성자 쌍에서 발생한다고 Arrington은 말했습니다. 그러나 조사하는 동안 산란을 일으키고 모든 유형의 핵자에 영향을 줄 수 있는 다른 원인이 있습니다.
예를 들어, 서로의 거리에 따라 달라질 수 있습니다.무거운 핵보다 가벼운 핵에서 더 큰 입자. 이 가설을 확인하거나 대안적인 설명을 찾기 위해 과학자들은 다른 가벼운 원자를 사용하여 유사한 실험을 수행할 계획입니다.
상호 작용을 담당하는 원칙 이해복합 입자는 이론적일 뿐만 아니라 실제적인 관심사이기도 합니다. 이러한 세부 사항은 쿼크, 글루온 및 기타 기본 입자(예: 중성미자)에 대한 고에너지 실험의 데이터 분석에 중요합니다. 또한 중성자 별을 형성하는 핵자의 상호 작용을 설명하는 것은 이러한 과정입니다.
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