Atominis branduolys yra neįprasta vieta. Yra žinoma, kad jame yra protonų ir neutronų. Šios dalelės arba
Stiprios sąveikos paslaptys, kurioslemia šių dalelių judėjimą, verčia mokslininkus ieškoti naujų būdų pažvelgti į atomo vidų, kad suprastų, kas ten vyksta. Fizikai sugalvojo naują metodą, kuriame naudojami veidrodiniai atomai, ir nustatė, kad protonai susiduria su kitais protonais, o neutronai – su kitais neutronais dažniau nei tikėtasi.
Kas yra stipri sąveika?
Stipri branduolinė jėga yra viena išpagrindinės sąveikos kartu su gravitacija, elektromagnetizmu ir silpna sąveika. Tai geriausia studijuoti kvantiniu lygiu. Sąveika tarp kvarkų (elementariųjų dalelių, sudarančių materiją) ir gliuonų (stiprios sąveikos bemasių nešėjų) apibūdinama kvantine chromodinamika.
Mokslininkai mano, kad kiekvienas kvarkas yrakonkretaus kvantinio krūvio nešėjas. Jis vadinamas spalva, nors tai yra įprastas terminas, neturintis nieko bendra su optinėmis savybėmis. Be to, jis turi apibrėžtą būsenos vektorių sudėtingoje 3D spalvų erdvėje.
Stipri sąveika yra procesas, kurio metukvarkų mainų užtaisas (spalva), kurį neša gliuonas. Skirtingai nuo elektromagnetinės sąveikos fotono, kuris yra unikalus ir neturi savo krūvio, kiekvienas gliuonas turi tam tikrą spalvą. Tyrėjai nustato aštuonis tokių dalelių tipus su skirtingais krūviais.
Stiprios sąveikos schema. Vaizdas: Manishearth, CC BY-SA 3.0, per Wikimedia Commons
Kaip rodo pavadinimas, stipri jėga yragalingiausias, tačiau jis veikia tik nedideliais atstumais, panašiais į atomo branduolio dydį ir mažiau. Nuostabi šios sąveikos ypatybė yra ta, kad didėjant atstumui tarp kvarkų jis didėja, o mažėjant – silpnėja.
Šis poveikis sukelia uždarumą – kvarkų užrakinimą hadronų (sudėtinių dalelių) viduje. Todėl kvarkas negali egzistuoti laisvoje erdvėje, o tik kaip sudėtingesnių dalelių dalis.
Dviejų kvarkų sąveikos sutrikimas veikiant energijai lemia naujos kvarko ir antikvarko poros gimimą. Animacija: Manishearth, CC BY-SA 3.0, per Wikimedia Commons
Nors stiprioji jėga yra geriausiai išplėtota dalelių fizikos teorija, sudėtinių dalelių, tokių kaip hadronai ir nukleonai (protonai ir neutronai), sąveiką labai sunku apskaičiuoti.
Kaip matuojama nukleonų sąveika?
Sąlyginis atomo (kairėje) ir helio-4 (dešinėje) modelis. Pilka spalva yra elektronų debesis, padidintame vaizde matomas branduolys. Dešinysis vaizdas: User:Yzmo, CC BY-SA 3.0, per Wikimedia Commons
Atomo branduoliai dažnai vaizduojami kaip tankūsprotonų ir neutronų sankaupos sulipusios, tačiau iš tikrųjų šie nukleonai nuolat sukasi vienas aplink kitą. Tuo pačiu metu jie susiduria ir vėl išsisklaido, bet ant stiprios sąveikos „elastinės juostos“ grįžta atgal. Daugumoje branduolių, mokslininkų skaičiavimais, nukleonai apie 20 % savo gyvenimo praleidžia didelio impulso sužadinimo būsenose, kurias sukelia šie susidūrimai.
Teisingas fizinių aibės aiškinimaseksperimentai, tokie kaip tie, kurie buvo atlikti Didžiajame hadronų greitintuve ir kituose dalelių greitintuvuose, priklauso nuo to, kaip gerai mokslininkai supranta tokius susidūrimus.
Norėdami juos ištirti, fizikai dirbaatomų branduoliai su didelės energijos elektronų pluoštais. Jei išmatuosite, kokia energija ir kokia kryptimi elektronas pradėjo judėti susidūręs su teigiamai įkrautu atomo branduolio protonu, galite nustatyti, kaip greitai jis judėjo.
Be to, labai įkrautas elektronas turipakankamas impulsas nutraukti stiprią sąveiką ir išmušti „sužadintą“ protoną iš atomo branduolio. Nutrūkus ryšiui, daugeliu atvejų po jo išmetamas jo „partneris“ – dalelė, su kuria jis paskutinį kartą susidūrė ir kurią sieja stipri sąveika.
Klasikiniuose eksperimentuose fizikai naudojaskaičiuojant tokias „išstumtas“ dviejų protonų poras arba protoną ir neutroną, siekiant nustatyti, kaip nukleonai sąveikauja branduolio atomuose. Eksperimentai, kurių metu įvairių atomų branduoliai nuo anglies su 12 nukleonų iki švino su 208 buvo apšvitinti elektronais, parodė maždaug tokį patį pasiskirstymą: beveik 95% visų susidūrimų vyksta protonų ir neutronų porose, o 5% – sąveikaujant tarp identiškų nukleonų.
Šio metodo trūkumas yra tas, kad tokstikslūs susidūrimai, kurių metu abi dalelės išsiskiria iš branduolio, yra gana reti, o kiti veiksniai gali turėti įtakos dalelėms atomuose. Todėl matavimuose yra mažai duomenų, o rezultatuose yra didelė paklaida.
Ką parodė eksperimentas su veidrodžio branduoliais?
Norėdami apeiti šį apribojimą, mokslininkai sugalvojonaujas metodas. Jie nusprendė apšvitinti „veidrodinius“ atomų branduolius. Helio-3 (stabilus helio izotopas) atomas turi tiek pat nukleonų kaip tritis (vandenilio izotopas). Bet jei pirmuoju atveju branduolys susideda iš dviejų protonų ir vieno neutrono, tai antruoju atveju viskas yra visiškai priešingai.
Mokslininkai suprato, kad jei kiekvienas iš šiųatomų, tada nukleonų aibių skirtumas padės tiksliau nustatyti, kaip atomų branduolių protonai ir neutronai sąveikauja tarpusavyje. Naujajame eksperimente pavyko surinkti daug daugiau duomenų nei ankstesniuose, nes analizei atlikti nereikėjo retų trigubo sutapimo įvykių, kai abi sužadintos dalelės išskrido iš branduolio, užteko net vienos.
Tyrėjai praneša, kad naujasis metodas išaugomatavimo tikslumas 10 kartų. Tačiau jie nesitikėjo, kad nukleonų sąveika paprastuose atomuose labai skirsis nuo sudėtingų, kurios buvo išbandytos ankstesniuose eksperimentuose.
Neseniai žurnale paskelbtame dokumenteGamta, fizikai praneša, kad sąveikų tarp identiškų dalelių (protonų-protonų ir neutronų-neutronų susidūrimų) dalis pasirodė daug didesnė: ji yra apie 20%.
Norėjome atlikti žymiai tikslesnius matavimus, bet nesitikėjome, kad jie labai skirsis.
Johnas Arringtonas, Berkeley laboratorijos tyrėjas ir naujo dokumento bendraautoris
Kas toliau?
Tyrėjai mano, kad skirtumas tarpdalelių sąveiką galima tiksliai paaiškinti branduolių dydžiu. Pagrindiniai sklaidos procesai – dalelių judėjimo krypties pokyčiai susidūrus su kitais – vyksta su protonų ir neutronų poromis, – sakė Arringtonas. Tačiau švitinimo metu yra ir kitų priežasčių, kurios gali sukelti sklaidą ir paveikti visų tipų nukleonus.
Pavyzdžiui, jie gali priklausyti nuo atstumo tarpdalelės, kurios lengvuosiuose branduoliuose yra didesnės nei sunkiuosiuose. Norėdami patvirtinti šią hipotezę arba rasti alternatyvų paaiškinimą, mokslininkai planuoja atlikti panašius eksperimentus su kitais šviesos atomais.
Supratimas už sąveiką atsakingų principųsudėtinės dalelės yra ne tik teorinės, bet ir praktinės svarbos. Šios detalės yra svarbios duomenų analizei atliekant didelės energijos eksperimentus su kvarkais, gliuonais ir kitomis elementariomis dalelėmis, tokiomis kaip neutrinai. Be to, būtent šie procesai paaiškina nukleonų, formuojančių neutronines žvaigždes, sąveiką.
Skaityti daugiau:
Pirmieji požeminės Marso dalies vaizdai nustebino mokslininkus
Galaktika, esanti už 12 milijardų šviesmečių nuo Žemės, susisuko į Einšteino žiedą
Marse esantis augalas gamina deguonį tokiu greičiu, kaip vidutinis medis