Atomu kodols ir neparasta vieta. Ir zināms, ka tajā ir protoni un neitroni. Šīs daļiņas, vai
Spēcīgās mijiedarbības noslēpumi, kasnosaka šo daļiņu kustību, liek zinātniekiem meklēt jaunus veidus, kā ieskatīties atoma iekšienē, lai saprastu, kas tur notiek. Fiziķi nāca klajā ar jaunu metodi, kurā tiek izmantoti spoguļa atomi, un atklāja, ka protoni saduras ar citiem protoniem un neitroni ar citiem neitroniem biežāk nekā gaidīts.
Kas ir spēcīga mijiedarbība?
Spēcīgais kodolspēks ir viens nofundamentāla mijiedarbība kopā ar gravitāciju, elektromagnētismu un vājo mijiedarbību. To vislabāk var pētīt kvantu līmenī. Mijiedarbība starp kvarkiem (elementārdaļiņām, kas veido vielu) un gluoniem (spēcīgās mijiedarbības nesēji bez masas) tiek aprakstīta ar kvantu hromodinamiku.
Zinātnieki uzskata, ka katrs kvarks irkonkrēta kvantu lādiņa nesējs. To sauc par krāsu, lai gan tas ir parasts termins, kam nav nekā kopīga ar optiskajām īpašībām. Turklāt tam ir noteikts stāvokļa vektors sarežģītā 3D krāsu telpā.
Spēcīga mijiedarbība ir process, kurākvarki apmaiņas lādiņš (krāsa), ko nes gluons. Atšķirībā no fotona elektromagnētiskajā mijiedarbībā, kas ir unikāls un kam nav sava lādiņa, katram gluonam ir noteikta krāsa. Pētnieki identificē astoņus šādu daļiņu veidus ar dažādiem lādiņiem.
Spēcīgas mijiedarbības shēma. Attēls: Manishearth, CC BY-SA 3.0, izmantojot Wikimedia Commons
Kā norāda nosaukums, spēcīgais spēks irvisspēcīgākais, taču tas darbojas tikai nelielos attālumos, kas ir salīdzināmi ar atoma kodola izmēru un mazāk. Apbrīnojama šīs mijiedarbības iezīme ir tā, ka, attālumam starp kvarkiem palielinoties, tas palielinās, un, samazinoties, tas vājinās.
Šis efekts izraisa norobežošanos – kvarku bloķēšanu hadronos (saliktajās daļiņās). Tāpēc kvarks nevar pastāvēt brīvā telpā, bet tikai kā daļa no sarežģītākām daļiņām.
Divu kvarku mijiedarbības pārtraukšana enerģijas ietekmē noved pie jauna kvarka un antikvarka pāra piedzimšanas. Animācija: Manishearth, CC BY-SA 3.0, izmantojot Wikimedia Commons
Lai gan spēcīgais spēks ir visattīstītākā teorija daļiņu fizikā, salikto daļiņu, piemēram, hadronu un nukleonu (protonu un neitronu) mijiedarbību ir ļoti grūti aprēķināt.
Kā tiek mērīta nukleonu mijiedarbība?
Nosacīts atoma (pa kreisi) un hēlija-4 (pa labi) modelis. Pelēkā krāsa ir elektronu mākonis, palielinātajā attēlā redzams kodols. Labais attēls: lietotājs: Yzmo, CC BY-SA 3.0, izmantojot Wikimedia Commons
Atomu kodoli bieži tiek attēloti kā blīviprotonu un neitronu kopas, kas salipušas kopā, bet patiesībā šie nukleoni pastāvīgi griežas viens ap otru. Tajā pašā laikā tie atkal saduras un izkliedējas, bet uz spēcīgas mijiedarbības “elastīgās joslas” atgriežas atpakaļ. Lielākajā daļā kodolu zinātnieki lēš, ka aptuveni 20% savas dzīves nukleoni pavada liela impulsa satraukuma stāvokļos, ko izraisa šīs sadursmes.
Pareiza fiziskās kopas interpretācijaeksperimenti, piemēram, tie, kas veikti lielajā hadronu paātrinātājā un citos daļiņu paātrinātājos, ir atkarīgi no tā, cik labi zinātnieki izprot šādas sadursmes.
Lai tos izpētītu, fiziķi strādāatomu kodoli ar augstas enerģijas elektronu stariem. Ja mēra, ar kādu enerģiju un kādā virzienā elektrons sāka kustēties, saduroties ar pozitīvi lādētu atoma kodola protonu, var noteikt, cik ātri tas pārvietojās.
Turklāt ļoti lādētam elektronam irpietiekams impulss, lai pārtrauktu spēcīgo mijiedarbību un izsist "satraukto" protonu no atoma kodola. Savienojuma pārraušanas procesā vairākos gadījumos aiz viņa tiek izmests viņa “partneris” - daļiņa, ar kuru viņš pēdējo reizi saskārās un kuru saista spēcīga mijiedarbība.
Klasiskajos eksperimentos fiziķi izmantoskaitot šādus "izmestos" divu protonu pārus jeb protonu un neitronu, lai noteiktu, kā nukleoni mijiedarbojas kodola atomos. Eksperimenti, kuros dažādu atomu kodoli no oglekļa ar 12 nukleoniem līdz svinam ar 208 tika apstaroti ar elektroniem, parādīja aptuveni vienādu sadalījumu: gandrīz 95% no visām sadursmēm notiek protonu-neitronu pāros, bet 5% - mijiedarbībā starp identiskiem nukleoniem.
Šīs metodes trūkums ir tādsprecīzas sadursmes, kurās abas daļiņas izdalās no kodola, ir diezgan reti, un citi faktori var ietekmēt daļiņas atomos. Tāpēc mērījumos ir maz datu, un rezultātos ir liela kļūda.
Ko parādīja eksperiments ar spoguļa kodoliem?
Lai apietu šo ierobežojumu, zinātnieki izdomājajauna metode. Viņi nolēma apstarot "spoguļa" atomu kodolus. Hēlija-3 (stabils hēlija izotops) atomam ir tāds pats nukleonu skaits kā tritijam (ūdeņraža izotopam). Bet, ja pirmajā gadījumā kodols sastāv no diviem protoniem un viena neitrona, tad otrajā gadījumā viss ir tieši pretēji.
Zinātnieki ir sapratuši, ka, ja katrs no šiematomi, tad atšķirība nukleonu komplektos palīdzēs precīzāk noteikt, kā atomu kodolu protoni un neitroni mijiedarbojas viens ar otru. Jaunajā eksperimentā bija iespējams savākt daudz vairāk datu nekā iepriekšējos, jo analīzei nebija nepieciešami reti trīskāršu sakritības notikumi, kad abas satrauktās daļiņas izlidoja no kodola;
Pētnieki ziņo, ka jaunā metode ir palielinājusiesmērījumu precizitāte 10 reizes. Tomēr viņi negaidīja, ka nukleonu mijiedarbība vienkāršos atomos ļoti atšķirsies no sarežģītajiem, kas tika pārbaudīti iepriekšējos eksperimentos.
Rakstā, kas nesen publicēts žurnālāDaba, fiziķi ziņo, ka mijiedarbības īpatsvars starp identiskām daļiņām (protonu-protonu un neitronu-neitronu sadursmes) izrādījās daudz lielāks: tas ir aptuveni 20%.
Mēs vēlējāmies veikt ievērojami precīzākus mērījumus, taču negaidījām, ka tie būs ļoti atšķirīgi.
Džons Aringtons, Berkeley Lab pētnieks un jauna dokumenta līdzautors
Kas tālāk?
Pētnieki uzskata, ka atšķirība irdaļiņu mijiedarbību var precīzi izskaidrot ar kodolu lielumu. Galvenie izkliedes procesi - daļiņu kustības virziena izmaiņas, saduroties ar citiem, notiek ar protonu un neitronu pāriem, sacīja Aringtons. Bet apstarošanas laikā ir arī citi cēloņi, kas var izraisīt izkliedi un ietekmēt visu veidu nukleonus.
Piemēram, tie var būt atkarīgi no attāluma starpdaļiņas, kas vieglajos kodolos ir lielākas nekā smagajos. Lai apstiprinātu šo hipotēzi vai atrastu alternatīvu skaidrojumu, zinātnieki plāno veikt līdzīgus eksperimentus ar citiem gaismas atomiem.
Izpratne par mijiedarbības principiemkompozītmateriālu daļiņas interesē ne tikai teorētiski, bet arī praktiski. Šīs detaļas ir svarīgas datu analīzei augstas enerģijas eksperimentos ar kvarkiem, gluoniem un citām elementārdaļiņām, piemēram, neitrīniem. Turklāt tieši šie procesi izskaidro neitronu zvaigznes veidojošo nukleonu mijiedarbību.
Lasīt vairāk:
Pirmie Marsa pazemes daļas attēli pārsteidza zinātniekus
Galaktika, kas atrodas 12 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes, “salocījās” Einšteina gredzenā
Augs uz Marsa ražo skābekli tādā ātrumā kā vidējais koks