Atómové jadro je nezvyčajné miesto. Je známe, že obsahuje protóny a neutróny. Tieto častice, príp
Záhady silnej interakcie, ktoráurčuje pohyb týchto častíc, núti vedcov hľadať nové spôsoby, ako nahliadnuť do vnútra atómu, aby pochopili, čo sa tam deje. Fyzici prišli s novou metódou, ktorá využíva zrkadlové atómy a zistili, že protóny sa zrážajú s protónmi a neutróny s neutrónmi častejšie, ako sa očakávalo.
Čo je to silná interakcia?
Silná jadrová sila je jednou zzákladné interakcie spolu s gravitáciou, elektromagnetizmom a slabou interakciou. Najlepšie sa študuje na kvantovej úrovni. Interakciu medzi kvarkami (elementárnymi časticami, ktoré tvoria hmotu) a gluónmi (bezhmotnými nosičmi silnej interakcie) popisuje kvantová chromodynamika.
Vedci veria, že každý kvark jenosič špecifického kvantového náboja. Hovorí sa tomu farba, aj keď ide o konvenčný výraz, ktorý nemá nič spoločné s optickými vlastnosťami. Okrem toho má definovaný stavový vektor v komplexnom 3D farebnom priestore.
Silná interakcia je proces, v ktoromkvarky si vymieňajú náboj (farbu), ktorý nesie gluón. Na rozdiel od fotónu v elektromagnetickej interakcii, ktorý je jedinečný a nemá vlastný náboj, každý gluón nesie špecifickú farbu. Výskumníci identifikujú osem typov takýchto častíc s rôznym nábojom.
Schéma silnej interakcie. Obrázok: Manishearth, CC BY-SA 3.0, prostredníctvom Wikimedia Commons
Ako už názov napovedá, silná sila jenajvýkonnejší, ale pôsobí len na krátke vzdialenosti, porovnateľné s veľkosťou atómového jadra a menej. Úžasnou vlastnosťou tejto interakcie je, že ako sa vzdialenosť medzi kvarkami zväčšuje, zväčšuje sa a zmenšuje sa, oslabuje.
Tento efekt spôsobuje uzavretie - uzamknutie kvarkov vo vnútri hadrónov (zložených častíc). Preto kvark nemôže existovať vo voľnom priestore, ale len ako súčasť zložitejších častíc.
Narušenie interakcie medzi dvoma kvarkami pôsobením energie vedie k zrodeniu nového páru kvarku a antikvarku. Animácia: Manishearth, CC BY-SA 3.0, cez Wikimedia Commons
Hoci je silná sila najrozvinutejšou teóriou v časticovej fyzike, interakcie zložených častíc, ako sú hadróny a nukleóny (protóny a neutróny), je veľmi ťažké vypočítať.
Ako sa meria interakcia nukleónov?
Podmienený model atómu (vľavo) a hélia-4 (vpravo). Šedá farba je elektrónový oblak, zväčšený obrázok ukazuje jadro. Pravý obrázok: Používateľ:Yzmo, CC BY-SA 3.0, cez Wikimedia Commons
Atómové jadrá sú často zobrazené ako hustézhluky protónov a neutrónov prilepené k sebe, ale v skutočnosti sa tieto nukleóny neustále otáčajú okolo seba. Zároveň sa znova zrazia a rozptýlia, ale na „elastickom páse“ silnej interakcie sa vrátia späť. Vo väčšine jadier vedci odhadujú, že nukleóny strávia asi 20 % svojho života v excitovaných stavoch s vysokou hybnosťou spôsobených týmito zrážkami.
Správna interpretácia množiny fyzikExperimenty, ako napríklad tie, ktoré sa uskutočnili na Veľkom hadrónovom urýchľovači a iných urýchľovačoch častíc, závisia od toho, ako dobre vedci rozumejú takýmto zrážkam.
Na ich štúdiu fyzici pracujúatómové jadrá s lúčmi vysokoenergetických elektrónov. Ak zmeriate, s akou energiou a akým smerom sa elektrón začal pohybovať pri zrážke s kladne nabitým protónom atómového jadra, môžete určiť, ako rýchlo sa pohyboval.
Okrem toho má vysoko nabitý elektróndostatočná hybnosť na prerušenie silnej interakcie a vyradenie „vzrušeného“ protónu z atómového jadra. V procese prerušenia spojenia je za ním v mnohých prípadoch vyhodený jeho „partner“ – častica, s ktorou sa naposledy stretol a je spojená silnou interakciou.
Pri klasických experimentoch fyzici používajúpočítanie takýchto „vyvrhnutých“ párov dvoch protónov alebo protónu a neutrónu, aby sa určilo, ako interagujú nukleóny v atómoch jadra. Experimenty, v ktorých boli jadrá rôznych atómov od uhlíka s 12 nukleónmi až po olovo s 208 ožiarené elektrónmi, ukázali približne rovnakú distribúciu: takmer 95% všetkých zrážok je v pároch protón-neutrón a 5% je v interakcii medzi rovnakými nukleónmi.
Nevýhodou tejto metódy je, že naprpresné zrážky, pri ktorých sú obe častice emitované z jadra, sú pomerne zriedkavé a iné faktory môžu ovplyvniť častice v atómoch. Preto merania obsahujú málo údajov a výsledky majú vysokú chybu.
Čo ukázal experiment so zrkadlovými jadrami?
Aby sa toto obmedzenie obišlo, vedci prišli snová metóda. Rozhodli sa ožiariť „zrkadlové“ atómové jadrá. Atóm hélia-3 (stabilný izotop hélia) má rovnaký počet nukleónov ako trícium (izotop vodíka). Ale ak sa v prvom prípade jadro skladá z dvoch protónov a jedného neutrónu, tak v druhom prípade je všetko presne naopak.
Vedci si uvedomili, že ak každý z nichatómov, potom rozdiel v súboroch nukleónov pomôže presnejšie určiť, ako protóny a neutróny atómových jadier navzájom interagujú. V novom experimente bolo možné zhromaždiť oveľa viac údajov ako v predchádzajúcich, pretože analýza nevyžadovala zriedkavé udalosti trojitej náhody, keď obe excitované častice vyleteli z jadra;
Vedci uvádzajú, že nová metóda sa rozšírilapresnosť merania 10 krát. Nečakali však, že interakcie nukleónov v jednoduchých atómoch budú veľmi odlišné od komplexných, ktoré boli testované v predchádzajúcich experimentoch.
V článku nedávno uverejnenom v časopisePríroda, fyzici uvádzajú, že podiel interakcií medzi rovnakými časticami (zrážky protón-protón a neutrón-neutrón) sa ukázal byť oveľa vyšší: je to asi 20%.
Chceli sme urobiť výrazne presnejšie merania, ale neočakávali sme, že budú veľmi odlišné.
John Arrington, výskumník Berkeley Lab a spoluautor nového článku
Čo bude ďalej?
Výskumníci sa domnievajú, že rozdiel vinterakciu častíc možno presne vysvetliť veľkosťou jadier. Hlavné procesy rozptylu - zmeny v smere pohybu častíc pri zrážke s inými - sa vyskytujú s pármi protónov a neutrónov, povedal Arrington. Ale počas ožarovania existujú aj iné príčiny, ktoré môžu spôsobiť rozptyl a ovplyvniť všetky typy nukleónov.
Napríklad môžu závisieť od vzdialenosti medzi nimičastice, ktoré sú v ľahkých jadrách väčšie ako v ťažkých. Aby vedci potvrdili túto hypotézu alebo našli alternatívne vysvetlenie, plánujú uskutočniť podobné experimenty s inými ľahkými atómami.
Pochopenie princípov zodpovedných za interakciukompozitné častice nie sú len teoretické, ale aj praktické. Tieto detaily sú dôležité pre analýzu údajov pri vysokoenergetických experimentoch na kvarkoch, gluónoch a iných elementárnych časticiach, ako sú neutrína. Navyše práve tieto procesy vysvetľujú interakciu nukleónov, ktoré tvoria neutrónové hviezdy.
Čítaj viac:
Prvé zábery podzemnej časti Marsu vedcov prekvapili
Galaxia, ktorá sa nachádza 12 miliárd svetelných rokov od Zeme, je „zvinutá“ do Einsteinovho prstenca
Rastlina na Marse produkuje kyslík rýchlosťou priemerného stromu