Atomkärnan är en ovanlig plats. Det är känt att det innehåller protoner och neutroner. Dessa partiklar, eller
Mysterier av den starka interaktionen, sombestämmer dessa partiklars rörelse, tvingar forskare att leta efter nya sätt att titta in i atomen för att förstå vad som händer där. Fysiker kom på en ny metod som använder spegelatomer och fann att protoner kolliderar med sina medprotoner, och neutroner med sina medneutroner, oftare än väntat.
Vad är en stark interaktion?
Den starka kärnkraften är en avgrundläggande interaktioner tillsammans med gravitation, elektromagnetism och den svaga interaktionen. Det studeras bäst på kvantnivå. Samspelet mellan kvarkar (elementarpartiklar som utgör materia) och gluoner (masslösa bärare av den starka interaktionen) beskrivs av kvantkromodynamik.
Forskare tror att varje kvarg ärbärare av en specifik kvantladdning. Det kallas färg, även om detta är en konventionell term som inte har något att göra med optiska egenskaper. Dessutom har den en definierad tillståndsvektor i komplex 3D-färgrymd.
Den starka interaktionen är en process därkvarkar byter laddning (färg) som bärs av gluonen. Till skillnad från fotonen i elektromagnetisk interaktion, som är unik och inte har någon egen laddning, bär varje gluon en specifik färg. Forskare identifierar åtta typer av sådana partiklar med olika laddningar.
Schema för stark interaktion. Bild: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Som namnet antyder är den starka kraftenden mest kraftfulla, men den verkar bara på korta avstånd, jämförbar med storleken på en atomkärna och mindre. En fantastisk egenskap hos denna interaktion är att när avståndet mellan kvarkar ökar, ökar det, och när det minskar försvagas det.
Denna effekt orsakar inneslutning - låsning av kvarkar inuti hadroner (sammansatta partiklar). Därför kan en kvark inte existera i fritt utrymme, utan bara som en del av mer komplexa partiklar.
Störningen av interaktionen mellan två kvarkar under inverkan av energi leder till födelsen av ett nytt par kvarkar och antikvarkar. Animation: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Även om den starka kraften är den mest välutvecklade teorin inom partikelfysik, är växelverkan mellan sammansatta partiklar som hadroner och nukleoner (protoner och neutroner) mycket svåra att beräkna.
Hur mäts interaktionen mellan nukleoner?
Villkorlig modell av en atom (vänster) och helium-4 (höger). Grå färg är elektronmolnet, den förstorade bilden visar kärnan. Höger bild: Användare: Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Atomkärnor avbildas ofta som tätakluster av protoner och neutroner som klistrat ihop, men i själva verket kretsar dessa nukleoner hela tiden runt varandra. Samtidigt kolliderar de och sprids igen, men på det "elastiska bandet" av stark interaktion återvänder de tillbaka. I de flesta kärnor uppskattar forskare att nukleoner tillbringar cirka 20 % av sina liv i högmomentum exciterade tillstånd orsakade av dessa kollisioner.
Den korrekta tolkningen av uppsättningen av fysiskaexperiment, som de som utförs vid Large Hadron Collider och andra partikelacceleratorer, beror på hur väl forskarna förstår sådana kollisioner.
För att studera dem arbetar fysiker medatomkärnor med strålar av högenergielektroner. Om du mäter med vilken energi och i vilken riktning en elektron började röra sig när den kolliderade med en positivt laddad proton i en atomkärna, kan du avgöra hur snabbt den rörde sig.
Dessutom har en högladdad elektrontillräcklig fart för att bryta den starka interaktionen och slå ut den "exciterade" protonen ur atomkärnan. I processen att bryta kopplingen, i ett antal fall, kastas hans "partner" ut efter honom - partikeln som han senast stötte på och är förbunden med en stark interaktion.
I klassiska experiment använder fysikeratt räkna sådana "utkastade" par av två protoner, eller en proton och en neutron, för att bestämma hur nukleonerna interagerar i kärnans atomer. Experiment där kärnor av olika atomer från kol med 12 nukleoner till bly med 208 bestrålades med elektroner visade ungefär samma fördelning: nästan 95 % av alla kollisioner är i proton-neutronpar, och 5 % är i interaktionen mellan identiska nukleoner.
Nackdelen med denna metod är att sådanaexakta kollisioner där båda partiklarna emitteras från kärnan är ganska sällsynta, och andra faktorer kan påverka partiklar i atomer. Därför innehåller mätningarna lite data, och resultaten har ett högt fel.
Vad visade experimentet med spegelkärnor?
För att komma runt denna begränsning kom forskare påny metod. De bestämde sig för att bestråla "spegel" atomkärnor. En atom av helium-3 (en stabil isotop av helium) har samma antal nukleoner som tritium (en isotop av väte). Men om kärnan i det första fallet består av två protoner och en neutron, så är allt precis tvärtom i det andra fallet.
Forskare har insett att om var och en av dessaatomer, då kommer skillnaden i nukleonuppsättningar att hjälpa till att mer exakt bestämma hur protoner och neutroner i atomkärnor interagerar med varandra. I det nya experimentet var det möjligt att samla in mycket mer data än i tidigare, eftersom analysen inte krävde sällsynta trippelsammanfallshändelser, när båda exciterade partiklar flög ut ur kärnan; även en räckte.
Forskarna rapporterar att den nya metoden har ökatmätnoggrannhet 10 gånger. De förväntade sig dock inte att växelverkan mellan nukleoner i enkla atomer skulle skilja sig mycket från de komplexa som testades i tidigare experiment.
I en artikel som nyligen publicerats i tidskriftenNaturligtvis rapporterar fysiker att andelen interaktioner mellan identiska partiklar (proton-proton- och neutron-neutronkollisioner) visade sig vara mycket högre: det är cirka 20%.
Vi ville göra betydligt mer exakta mätningar, men förväntade oss inte att de skulle vara väldigt olika.
John Arrington, Berkeley Lab-forskare och medförfattare till en ny artikel
Vad är nästa?
Forskare tror att skillnaden iväxelverkan mellan partiklar kan förklaras exakt av storleken på kärnorna. De huvudsakliga spridningsprocesserna - förändringar i rörelseriktningen för partiklar när de kolliderar med andra - sker med par av protoner och neutroner, sa Arrington. Men under bestrålning finns det andra orsaker som kan orsaka spridning och påverka alla typer av nukleoner.
Till exempel kan de bero på avståndet mellanpartiklar som är större i lätta kärnor än i tunga. För att bekräfta denna hypotes eller hitta en alternativ förklaring planerar forskare att utföra liknande experiment med andra lätta atomer.
Förstå principerna som ansvarar för interaktionkompositpartiklar är av inte bara teoretiskt utan också praktiskt intresse. Dessa detaljer är viktiga för dataanalys i högenergiexperiment på kvarkar, gluoner och andra elementära partiklar som neutriner. Dessutom är det dessa processer som förklarar samspelet mellan nukleoner som bildar neutronstjärnor.
Läs mer:
De första bilderna av den underjordiska delen av Mars överraskade forskarna
En galax som ligger 12 miljarder ljusår från jorden "kröp ihop" till en Einstein-ring
Anläggningen på Mars producerar syre i samma takt som ett genomsnittligt träd