Jądro atomowe to niezwykłe miejsce. Wiadomo, że zawiera protony i neutrony. Te cząstki lub
Tajemnice silnego oddziaływania, któreokreśla ruch tych cząstek, zmusza naukowców do szukania nowych sposobów zajrzenia do wnętrza atomu, aby zrozumieć, co się tam dzieje. Fizycy opracowali nową metodę wykorzystującą atomy lustrzane i odkryli, że protony zderzają się z innymi protonami, a neutrony z innymi neutronami częściej niż się spodziewano.
Czym jest silna interakcja?
Silna siła jądrowa jest jedną zoddziaływania podstawowe wraz z grawitacją, elektromagnetyzmem i oddziaływaniem słabym. Najlepiej badać go na poziomie kwantowym. Oddziaływanie między kwarkami (cząstkami elementarnymi tworzącymi materię) a gluonami (bezmasowymi nośnikami oddziaływania silnego) opisuje chromodynamika kwantowa.
Naukowcy uważają, że każdy kwark taki jestnośnik określonego ładunku kwantowego. Nazywa się to kolorem, chociaż jest to termin umowny, który nie ma nic wspólnego z właściwościami optycznymi. Ponadto ma zdefiniowany wektor stanu w złożonej przestrzeni kolorów 3D.
Oddziaływanie silne to proces, w którymkwarki wymieniają ładunek (kolor) niesiony przez gluon. W przeciwieństwie do fotonu w oddziaływaniu elektromagnetycznym, który jest unikalny i nie ma własnego ładunku, każdy gluon niesie określony kolor. Badacze identyfikują osiem typów takich cząstek o różnych ładunkach.
Schemat silnego oddziaływania. Zdjęcie: Manishearth, CC BY-SA 3.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Jak sama nazwa wskazuje, jest to siła potężnanajpotężniejszy, ale działa tylko na krótkie odległości, porównywalne z wielkością jądra atomowego i mniejsze. Niesamowitą cechą tej interakcji jest to, że wraz ze wzrostem odległości między kwarkami zwiększa się ona, a gdy maleje, słabnie.
Efekt ten powoduje uwięzienie - blokowanie kwarków wewnątrz hadronów (cząstek złożonych). Dlatego kwark nie może istnieć w wolnej przestrzeni, a jedynie jako część bardziej złożonych cząstek.
Zakłócenie oddziaływania między dwoma kwarkami pod wpływem energii prowadzi do narodzin nowej pary kwark-antykwark. Animacja: Manishearth, CC BY-SA 3.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Chociaż oddziaływanie silne jest najlepiej rozwiniętą teorią w fizyce cząstek elementarnych, interakcje między cząstkami złożonymi, takimi jak hadrony i nukleony (protony i neutrony) są bardzo trudne do obliczenia.
Jak mierzy się oddziaływanie nukleonów?
Warunkowy model atomu (po lewej) i helu-4 (po prawej). Kolor szary to chmura elektronów, powiększony obraz przedstawia jądro. Zdjęcie po prawej: User:Yzmo, CC BY-SA 3.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Jądra atomowe są często przedstawiane jako gęsteskupiska protonów i neutronów sklejone ze sobą, ale w rzeczywistości nukleony te nieustannie krążą wokół siebie. W tym samym czasie ponownie zderzają się i rozpraszają, ale na „elastycznym paśmie” silnego oddziaływania wracają z powrotem. W większości jąder naukowcy szacują, że nukleony spędzają około 20% swojego życia w stanach wzbudzonych o dużym pędzie spowodowanych przez te zderzenia.
Prawidłowa interpretacja zbioru fizycznegoeksperymenty, takie jak te prowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów i innych akceleratorach cząstek, zależą od tego, jak dobrze naukowcy rozumieją takie zderzenia.
Aby je zbadać, fizycy pracują dalejjądra atomowe z wiązkami wysokoenergetycznych elektronów. Jeśli zmierzysz, z jaką energią i w jakim kierunku elektron zaczął się poruszać po zderzeniu z dodatnio naładowanym protonem jądra atomowego, możesz określić, jak szybko się poruszał.
Ponadto ma bardzo naładowany elektronwystarczający pęd, aby przerwać oddziaływanie silne i wybić „wzbudzony” proton z jądra atomowego. W procesie zrywania połączenia w wielu przypadkach wyrzucany jest za nim jego „partner” – cząstka, z którą się ostatnio spotkał i którą łączy silna interakcja.
W klasycznych eksperymentach fizycy używająliczenie takich „wyrzuconych” par dwóch protonów lub protonu i neutronu, aby określić, jak nukleony oddziałują w atomach jądra. Eksperymenty, w których jądra różnych atomów, od węgla z 12 nukleonami do ołowiu z 208, zostały napromieniowane elektronami, wykazały w przybliżeniu ten sam rozkład: prawie 95% wszystkich zderzeń zachodzi w parach proton-neutron, a 5% w interakcji między identycznymi nukleonami.
Wadą tej metody jest to, że takiedokładne zderzenia, w których obie cząstki są emitowane z jądra, są dość rzadkie, a inne czynniki mogą wpływać na cząstki w atomach. Dlatego pomiary zawierają mało danych, a wyniki obarczone są dużym błędem.
Co pokazał eksperyment z jądrami lustrzanymi?
Naukowcy wpadli na pomysł obejścia tego ograniczenianowa metoda. Postanowili napromieniować „lustrzane” jądra atomowe. Atom helu-3 (stabilny izotop helu) ma taką samą liczbę nukleonów jak tryt (izotop wodoru). Ale jeśli w pierwszym przypadku jądro składa się z dwóch protonów i jednego neutronu, to w drugim przypadku wszystko jest dokładnie odwrotnie.
Naukowcy zdali sobie sprawę, że jeśli każdy z nichatomy, wówczas różnica w zestawach nukleonów pomoże dokładniej określić, w jaki sposób protony i neutrony jąder atomowych oddziałują ze sobą. Nowy eksperyment był w stanie zebrać znacznie więcej danych niż poprzednie, ponieważ do analizy nie wymagano rzadkich potrójnych zdarzeń koincydencji, gdy obie wzbudzone cząstki wyleciały z jądra, wystarczyła jedna.
Naukowcy donoszą, że nowa metoda wzrosładokładność pomiaru 10 razy. Nie spodziewali się jednak, że oddziaływania nukleonów w prostych atomach będą się bardzo różnić od złożonych, które testowano w poprzednich eksperymentach.
W artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmieNatura, fizycy donoszą, że proporcja oddziaływań między identycznymi cząstkami (zderzenia proton-proton i neutron-neutron) okazał się znacznie wyższy: wynosi około 20%.
Chcieliśmy wykonać znacznie dokładniejsze pomiary, ale nie spodziewaliśmy się, że będą się one bardzo różnić.
John Arrington, badacz Berkeley Lab i współautor nowego artykułu
Co dalej?
Naukowcy uważają, że różnica woddziaływanie cząstek można dokładnie wytłumaczyć wielkością jąder. Główne procesy rozpraszania - zmiany kierunku ruchu cząstek podczas zderzenia z innymi - zachodzą z parami protonów i neutronów, powiedział Arrington. Ale podczas napromieniania istnieją inne przyczyny, które mogą powodować rozpraszanie i wpływać na wszystkie rodzaje nukleonów.
Na przykład mogą zależeć od odległości międzycząstki, które są większe w lekkich jądrach niż w ciężkich. Aby potwierdzić tę hipotezę lub znaleźć alternatywne wyjaśnienie, naukowcy planują przeprowadzić podobne eksperymenty z innymi lekkimi atomami.
Zrozumienie zasad odpowiedzialnych za interakcjęcząstki kompozytowe mają znaczenie nie tylko teoretyczne, ale także praktyczne. Te szczegóły są ważne dla analizy danych w eksperymentach wysokoenergetycznych na kwarkach, gluonach i innych cząstkach elementarnych, takich jak neutrina. Ponadto to właśnie te procesy wyjaśniają wzajemne oddziaływanie nukleonów tworzących gwiazdy neutronowe.
Czytaj więcej:
Pierwsze zdjęcia podziemnej części Marsa zaskoczyły naukowców
Galaktyka położona 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi „zwinęła się” w pierścień Einsteina
Roślina na Marsie produkuje tlen w tempie przeciętnego drzewa