Nucleul atomic este un loc neobișnuit. Se știe că conține protoni și neutroni. Aceste particule, sau
Misterele interacțiunii puternice, caredetermină mișcarea acestor particule, forțează oamenii de știință să caute noi modalități de a privi în interiorul atomului pentru a înțelege ce se întâmplă acolo. Fizicienii au venit cu o nouă metodă care folosește atomi în oglindă și au descoperit că protonii se ciocnesc cu colegii lor, iar neutronii cu colegii lor, mai des decât se aștepta.
Ce este o interacțiune puternică?
Forța nucleară puternică este una dintreinteracțiuni fundamentale împreună cu gravitația, electromagnetismul și interacțiunea slabă. Cel mai bine este studiat la nivel cuantic. Interacțiunea dintre quarci (particule elementare care alcătuiesc materia) și gluoni (purtători fără masă ai interacțiunii puternice) este descrisă de cromodinamica cuantică.
Oamenii de știință cred că fiecare quarc estepurtător al unei sarcini cuantice specifice. Se numește culoare, deși acesta este un termen convențional care nu are nimic de-a face cu proprietățile optice. În plus, are un vector de stare definit în spațiul de culoare 3D complex.
Interacţiunea puternică este un proces în carequarcii schimbă sarcină (culoare) purtată de gluon. Spre deosebire de fotonul din interacțiunea electromagnetică, care este unic și nu are încărcătură proprie, fiecare gluon poartă o culoare specifică. Cercetătorii identifică opt tipuri de astfel de particule cu sarcini diferite.
Schema de interacțiune puternică. Imagine: Manishearth, CC BY-SA 3.0, prin Wikimedia Commons
După cum sugerează și numele, forța puternică estecel mai puternic, dar acționează doar la distanțe scurte, comparabil cu dimensiunea unui nucleu atomic și mai puțin. O caracteristică uimitoare a acestei interacțiuni este că, pe măsură ce distanța dintre quarci crește, aceasta crește și, pe măsură ce scade, se slăbește.
Acest efect determină închiderea - blocarea quarcilor în interiorul hadronilor (particule compuse). Prin urmare, un quarc nu poate exista în spațiul liber, ci doar ca parte a unor particule mai complexe.
Perturbarea interacțiunii dintre doi quarci sub acțiunea energiei duce la nașterea unei noi perechi de quarc și antiquarc. Animație: Manishearth, CC BY-SA 3.0, prin Wikimedia Commons
Deși forța puternică este cea mai bine dezvoltată teorie în fizica particulelor, interacțiunile particulelor compuse precum hadronii și nucleonii (protonii și neutronii) sunt foarte greu de calculat.
Cum se măsoară interacțiunea nucleonilor?
Model condiționat al unui atom (stânga) și heliu-4 (dreapta). Culoarea gri este norul de electroni, imaginea mărită arată nucleul. Imagine din dreapta: Utilizator:Yzmo, CC BY-SA 3.0, prin Wikimedia Commons
Nucleele atomice sunt adesea descrise ca densegrupuri de protoni și neutroni lipiți împreună, dar, de fapt, acești nucleoni se rotesc în mod constant unul în jurul celuilalt. În același timp, se ciocnesc și se împrăștie din nou, dar pe „banda elastică” de interacțiune puternică se întorc înapoi. În majoritatea nucleelor, oamenii de știință estimează că nucleonii își petrec aproximativ 20% din viața lor în stări excitate de mare impuls cauzate de aceste ciocniri.
Interpretarea corectă a ansamblului de fiziceexperimentele, cum ar fi cele efectuate la Large Hadron Collider și alte acceleratoare de particule, depind de cât de bine înțeleg oamenii de știință astfel de coliziuni.
Pentru a le studia, fizicienii lucreazănuclee atomice cu fascicule de electroni de înaltă energie. Dacă măsurați cu ce energie și în ce direcție a început să se miște un electron când s-a ciocnit cu un proton încărcat pozitiv al unui nucleu atomic, puteți determina cât de repede s-a mișcat.
În plus, un electron foarte încărcat aresuficient impuls pentru a rupe interacțiunea puternică și a scoate protonul „excitat” din nucleul atomic. În procesul de rupere a conexiunii, într-un număr de cazuri, „partenerul” său este aruncat după el - particula cu care a întâlnit ultima dată și este conectată printr-o interacțiune puternică.
În experimentele clasice, fizicienii folosescnumărarea unor astfel de perechi „ejectate” de doi protoni, sau un proton și un neutron, pentru a determina modul în care nucleonii interacționează în atomii nucleului. Experimentele în care nucleele diferiților atomi de la carbon cu 12 nucleoni la plumb cu 208 au fost iradiați cu electroni au arătat aproximativ aceeași distribuție: aproape 95% din toate coliziunile sunt în perechi proton-neutron, iar 5% sunt în interacțiunea dintre nucleoni identici.
Dezavantajul acestei metode este că așaCiocnirile exacte în care ambele particule sunt emise din nucleu sunt destul de rare, iar alți factori pot afecta particulele din atomi. Prin urmare, măsurătorile conțin puține date, iar rezultatele au o eroare mare.
Ce a arătat experimentul cu nuclee de oglindă?
Pentru a ocoli această limitare, oamenii de știință au venit cumetoda noua. Ei au decis să iradieze nuclee atomice „oglindă”. Un atom de heliu-3 (un izotop stabil al heliului) are același număr de nucleoni ca și tritiul (un izotop al hidrogenului). Dar dacă în primul caz nucleul este format din doi protoni și un neutron, atunci în al doilea caz totul este exact invers.
Oamenii de știință și-au dat seama că dacă fiecare dintre acesteaatomi, atunci diferența dintre seturile de nucleoni va ajuta la determinarea mai precisă a modului în care protonii și neutronii nucleelor atomice interacționează între ei. În noul experiment, a fost posibil să se colecteze mult mai multe date decât în cele anterioare, deoarece analiza nu a necesitat evenimente rare de triplă coincidență, când ambele particule excitate au zburat din nucleu; chiar și una a fost suficientă.
Cercetătorii raportează că noua metodă a crescutprecizie de măsurare de 10 ori. Cu toate acestea, ei nu se așteptau ca interacțiunile nucleonilor din atomii simpli să fie foarte diferite de cele complecși care au fost testate în experimentele anterioare.
Într-o lucrare publicată recent în jurnalNatura, fizicienii raportează că proporția interacțiunilor dintre particule identice (coliziuni proton-proton și neutron-neutron) s-a dovedit a fi mult mai mare: este de aproximativ 20%.
Am vrut să luăm măsurători mult mai precise, dar nu ne-am așteptat să fie foarte diferite.
John Arrington, cercetător din Berkeley Lab și coautor al unei noi lucrări
Ce urmează?
Cercetătorii cred că diferența îninteracțiunea particulelor poate fi explicată tocmai prin dimensiunea nucleelor. Principalele procese de împrăștiere - schimbări în direcția de mișcare a particulelor atunci când se ciocnesc cu altele - au loc cu perechi de protoni și neutroni, a spus Arrington. Dar în timpul iradierii, există și alte cauze care pot provoca împrăștiere și pot afecta toate tipurile de nucleoni.
De exemplu, acestea pot depinde de distanța dintre acesteaparticule care sunt mai mari în nucleele uşoare decât în cele grele. Pentru a confirma această ipoteză sau pentru a găsi o explicație alternativă, oamenii de știință intenționează să efectueze experimente similare cu alți atomi de lumină.
Înțelegerea principiilor responsabile de interacțiuneparticulele compozite prezintă un interes nu numai teoretic, ci și practic. Aceste detalii sunt importante pentru analiza datelor în experimentele de înaltă energie pe quarci, gluoni și alte particule elementare, cum ar fi neutrini. În plus, aceste procese explică interacțiunea nucleonilor care formează stele neutronice.
Citeste mai mult:
Primele imagini ale părții subterane a lui Marte i-au surprins pe oamenii de știință
O galaxie situată la 12 miliarde de ani-lumină de Pământ „s-a încovoiat” într-un inel Einstein
Planta de pe Marte produce oxigen la rata unui copac mediu