De atoomkern is een ongewone plaats. Het is bekend dat het protonen en neutronen bevat. Deze deeltjes, of
Mysteries van de sterke interactie, diebepaalt de beweging van deze deeltjes, dwingen wetenschappers om nieuwe manieren te zoeken om in het atoom te kijken om te begrijpen wat daar gebeurt. Natuurkundigen bedachten een nieuwe methode die spiegelatomen gebruikt en ontdekten dat protonen vaker dan verwacht botsen met hun medeprotonen en neutronen met hun medeneutronen.
Wat is een sterke interactie?
De sterke kernkracht is een vanfundamentele interacties samen met zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke interactie. Het wordt het best bestudeerd op kwantumniveau. De interactie tussen quarks (elementaire deeltjes waaruit materie bestaat) en gluonen (massaloze dragers van de sterke interactie) wordt beschreven door kwantumchromodynamica.
Wetenschappers geloven dat elke quark dat isdrager van een specifieke kwantumlading. Het wordt kleur genoemd, hoewel dit een conventionele term is die niets met optische eigenschappen te maken heeft. Bovendien beschikt het over een gedefinieerde toestandsvector in een complexe 3D-kleurruimte.
De sterke interactie is een proces waarin:quarks wisselen lading (kleur) uit die door het gluon wordt gedragen. In tegenstelling tot het foton in elektromagnetische interactie, dat uniek is en geen eigen lading heeft, heeft elk gluon een specifieke kleur. Onderzoekers identificeren acht soorten van dergelijke deeltjes met verschillende ladingen.
Schema van sterke interactie. Afbeelding: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Zoals de naam al doet vermoeden, is de sterke kracht dat welde krachtigste, maar hij werkt alleen op korte afstanden, vergelijkbaar met de grootte van een atoomkern en minder. Een verbazingwekkend kenmerk van deze interactie is dat naarmate de afstand tussen quarks groter wordt, deze groter wordt, en naarmate deze kleiner wordt, deze zwakker wordt.
Dit effect veroorzaakt opsluiting - het opsluiten van quarks in hadronen (samengestelde deeltjes). Daarom kan een quark niet in de vrije ruimte bestaan, maar alleen als onderdeel van complexere deeltjes.
De verstoring van de interactie tussen twee quarks onder invloed van energie leidt tot de geboorte van een nieuw paar quarks en antiquarks. Animatie: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Hoewel de sterke kracht de best ontwikkelde theorie in de deeltjesfysica is, zijn de interacties van samengestelde deeltjes zoals hadronen en nucleonen (protonen en neutronen) erg moeilijk te berekenen.
Hoe wordt de interactie van nucleonen gemeten?
Voorwaardelijk model van een atoom (links) en helium-4 (rechts). De grijze kleur is de elektronenwolk, het vergrote beeld toont de kern. Afbeelding rechts: Gebruiker: Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Atoomkernen worden vaak afgebeeld als dichtclusters van protonen en neutronen kleven aan elkaar, maar in feite draaien deze nucleonen constant om elkaar heen. Tegelijkertijd botsen ze en verspreiden ze zich weer, maar op de "elastische band" van sterke interactie keren ze terug. In de meeste kernen schatten wetenschappers dat nucleonen ongeveer 20% van hun leven doorbrengen in aangeslagen toestanden met een hoog momentum, veroorzaakt door deze botsingen.
De juiste interpretatie van de verzameling fysiekeexperimenten, zoals die uitgevoerd bij de Large Hadron Collider en andere deeltjesversnellers, zijn afhankelijk van hoe goed wetenschappers dergelijke botsingen begrijpen.
Om ze te bestuderen, werken natuurkundigen verderatoomkernen met bundels hoogenergetische elektronen. Als je meet met welke energie en in welke richting een elektron begon te bewegen toen het in botsing kwam met een positief geladen proton van een atoomkern, kun je bepalen hoe snel het bewoog.
Bovendien heeft een hooggeladen elektronvoldoende momentum om de sterke interactie te verbreken en het ‘aangeslagen’ proton uit de atoomkern te slaan. Tijdens het proces van het verbreken van de verbinding wordt in een aantal gevallen zijn 'partner' achter hem aan gegooid - het deeltje waarmee hij het laatst is tegengekomen en dat verbonden is door een sterke interactie.
In klassieke experimenten gebruiken natuurkundigenhet tellen van dergelijke "uitgeworpen" paren van twee protonen, of een proton en een neutron, om te bepalen hoe de nucleonen interageren in de atomen van de kern. Experimenten waarbij kernen van verschillende atomen van koolstof met 12 nucleonen tot lood met 208 werden bestraald met elektronen lieten ongeveer dezelfde verdeling zien: bijna 95% van alle botsingen vindt plaats in proton-neutronenparen, en 5% in de interactie tussen identieke nucleonen.
Het nadeel van deze methode is dat dergelijkeexacte botsingen waarbij beide deeltjes door de kern worden uitgestoten, zijn vrij zeldzaam, en andere factoren kunnen deeltjes in atomen beïnvloeden. Daarom bevatten de metingen weinig gegevens en hebben de resultaten een hoge fout.
Wat liet het experiment met spiegelkernen zien?
Om deze beperking te omzeilen, bedachten wetenschappersnieuwe methode. Ze besloten om ‘spiegel’-atoomkernen te bestralen. Een atoom van helium-3 (een stabiele isotoop van helium) heeft hetzelfde aantal nucleonen als tritium (een isotoop van waterstof). Maar als in het eerste geval de kern uit twee protonen en één neutron bestaat, dan is in het tweede geval alles precies het tegenovergestelde.
Wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat als elk van dezeatomen, dan zal het verschil in nucleonsets helpen om nauwkeuriger te bepalen hoe protonen en neutronen van atoomkernen met elkaar interageren. In het nieuwe experiment was het mogelijk om veel meer gegevens te verzamelen dan in de vorige, omdat de analyse geen zeldzame drievoudige toevalsgebeurtenissen vereiste, waarbij beide opgewonden deeltjes uit de kern vlogen; zelfs één was genoeg.
De onderzoekers melden dat de nieuwe methode is toegenomenmeetnauwkeurigheid 10 keer. Ze hadden echter niet verwacht dat de interacties van nucleonen in eenvoudige atomen heel anders zouden zijn dan de complexe die in eerdere experimenten werden getest.
In een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerdNatuurkundigen melden dat het aandeel interacties tussen identieke deeltjes (proton-proton- en neutron-neutronenbotsingen) veel hoger bleek te zijn: het is ongeveer 20%.
We wilden aanzienlijk nauwkeurigere metingen doen, maar hadden niet verwacht dat ze heel anders zouden zijn.
John Arrington, Berkeley Lab-onderzoeker en co-auteur van een nieuw artikel
Wat is de volgende stap?
Onderzoekers geloven dat het verschil inde interactie van deeltjes kan precies worden verklaard door de grootte van de kernen. De belangrijkste verstrooiingsprocessen - veranderingen in de bewegingsrichting van deeltjes bij botsing met anderen - vinden plaats met paren protonen en neutronen, zei Arrington. Maar tijdens bestraling zijn er andere oorzaken die verstrooiing kunnen veroorzaken en alle soorten nucleonen kunnen aantasten.
Ze kunnen bijvoorbeeld afhankelijk zijn van de afstand ertussendeeltjes die groter zijn in lichte kernen dan in zware kernen. Om deze hypothese te bevestigen of een alternatieve verklaring te vinden, zijn wetenschappers van plan soortgelijke experimenten uit te voeren met andere lichte atomen.
De principes begrijpen die verantwoordelijk zijn voor interactiecomposietdeeltjes is niet alleen van theoretisch maar ook van praktisch belang. Deze details zijn belangrijk voor data-analyse in hoogenergetische experimenten op quarks, gluonen en andere elementaire deeltjes zoals neutrino's. Bovendien zijn het deze processen die de interactie verklaren van nucleonen die neutronensterren vormen.
Lees verder:
De eerste beelden van het ondergrondse deel van Mars verrasten wetenschappers
Een melkwegstelsel op 12 miljard lichtjaar van de aarde 'opgerold' in een Einstein-ring
Plant op Mars produceert zuurstof met de snelheid van een gemiddelde boom