ความลึกลับของพลังอันแข็งแกร่ง: วิธีที่ปรากฏการณ์นี้ศึกษาโดยใช้อะตอมของกระจก

นิวเคลียสของอะตอมเป็นสถานที่ที่ไม่ธรรมดา เป็นที่ทราบกันว่าประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคเหล่านี้หรือ

นิวเคลียสไม่ได้เป็นเพียงก้อนพลาสติกที่เกาะติดกันลูกบอลดังที่มักปรากฎในภาพ พวกมันเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา บางครั้งชนกัน กระจัดกระจายสักพักหนึ่ง แล้วกลับมาอีกครั้ง เหมือนกับปลายทั้งสองของยางยืดที่ยืดออก

ความลึกลับของการโต้ตอบที่แข็งแกร่งซึ่งกำหนดการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้ บังคับให้นักวิทยาศาสตร์มองหาวิธีใหม่ในการมองเข้าไปในอะตอมเพื่อทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นที่นั่น นักฟิสิกส์ได้คิดค้นวิธีการใหม่ที่ใช้อะตอมมิเรอร์ และพบว่าโปรตอนชนกับโปรตอนของพวกมัน และนิวตรอนกับนิวตรอนของพวกมันก็บ่อยกว่าที่คาดไว้

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งคืออะไร?

แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาพื้นฐานร่วมกับแรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และปฏิกิริยาที่อ่อนแอ เป็นการศึกษาที่ดีที่สุดในระดับควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์ก (อนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร) และกลูออน (พาหะมวลสารของปฏิกิริยารุนแรง) อธิบายโดยควอนตัมโครโมไดนามิกส์

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าควาร์กทุกชนิดคือพาหะของประจุควอนตัมจำเพาะ มันถูกเรียกว่าสี แม้ว่าจะเป็นคำธรรมดาที่ไม่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางแสงก็ตาม นอกจากนี้ ยังมีเวกเตอร์สถานะที่กำหนดไว้ในพื้นที่สี 3D ที่ซับซ้อนอีกด้วย

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งเป็นกระบวนการที่ค่าแลกเปลี่ยนควาร์ก (สี) ดำเนินการโดยกลูออน ซึ่งแตกต่างจากโฟตอนในปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีลักษณะเฉพาะและไม่มีค่าใช้จ่ายในตัวเอง กลูออนแต่ละอันมีสีเฉพาะ นักวิจัยระบุอนุภาคดังกล่าวแปดประเภทที่มีประจุต่างกัน

โครงการปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ภาพ: Manisearth, CC BY-SA 3.0 ผ่าน Wikimedia Commons

ตามชื่อเลย พลังที่แข็งแกร่งคือที่ทรงพลังที่สุดแต่ออกฤทธิ์ในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น ซึ่งเทียบได้กับขนาดของนิวเคลียสของอะตอมและน้อยกว่า คุณลักษณะอันน่าทึ่งของการโต้ตอบนี้คือเมื่อระยะห่างระหว่างควาร์กเพิ่มขึ้น มันจะเพิ่มขึ้น และเมื่อมันลดลง มันก็จะอ่อนลง 

ผลกระทบนี้ทำให้เกิดการกักขัง - การล็อคควาร์กภายในฮาดรอน (อนุภาคผสม) ดังนั้นควาร์กจึงไม่สามารถอยู่ในพื้นที่ว่างได้ แต่เป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น

การหยุดชะงักของปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กสองตัวภายใต้การกระทำของพลังงานนำไปสู่การเกิดของควาร์กและแอนติควาร์กคู่ใหม่ แอนิเมชั่น: Manishearth, CC BY-SA 3.0, ผ่าน Wikimedia Commons

แม้ว่ากำลังแรงจะเป็นทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นอย่างดีที่สุดในฟิสิกส์อนุภาค แต่ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคสารประกอบ เช่น ฮาดรอนและนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) นั้นคำนวณได้ยากมาก

ปฏิสัมพันธ์ของนิวคลีออนวัดได้อย่างไร?

แบบจำลองตามเงื่อนไขของอะตอม (ซ้าย) และฮีเลียม-4 (ขวา) สีเทาคือเมฆอิเล็กตรอน ภาพที่ขยายใหญ่แสดงนิวเคลียส ภาพขวา: ผู้ใช้: Yzmo, CC BY-SA 3.0 ผ่าน Wikimedia Commons

นิวเคลียสของอะตอมมักถูกมองว่าหนาแน่นกลุ่มโปรตอนและนิวตรอนติดกัน แต่ในความเป็นจริง นิวคลีออนเหล่านี้โคจรรอบกันและกันตลอดเวลา ในเวลาเดียวกัน พวกมันชนกันและกระจายอีกครั้ง แต่บน "แถบยางยืด" ของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงพวกมันกลับมา ในนิวเคลียสส่วนใหญ่ นักวิทยาศาสตร์ประเมินว่านิวคลีออนใช้เวลาประมาณ 20% ของชีวิตในสภาวะตื่นเต้นที่มีโมเมนตัมสูงซึ่งเกิดจากการชนกันเหล่านี้

การตีความที่ถูกต้องของชุดกายภาพการทดลอง เช่น การทดลองที่ Large Hadron Collider และเครื่องเร่งอนุภาคอื่นๆ ขึ้นอยู่กับว่านักวิทยาศาสตร์เข้าใจการชนดังกล่าวดีเพียงใด

เพื่อศึกษาสิ่งเหล่านี้ นักฟิสิกส์จึงศึกษาต่อไปนิวเคลียสของอะตอมที่มีลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง หากคุณวัดด้วยพลังงานและทิศทางที่อิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่เมื่อชนกับโปรตอนที่มีประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอม คุณจะทราบได้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน 

นอกจากนี้อิเล็กตรอนที่มีประจุสูงยังมีโมเมนตัมเพียงพอที่จะทำลายปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงและทำให้โปรตอนที่ "ตื่นเต้น" หลุดออกจากนิวเคลียสของอะตอม ในกระบวนการทำลายการเชื่อมต่อ ในหลายกรณี “คู่หู” ของเขาถูกโยนออกไปตามเขาไป ซึ่งเป็นอนุภาคที่เขาพบครั้งสุดท้ายและเชื่อมโยงกันด้วยปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง 

ในการทดลองแบบคลาสสิก นักฟิสิกส์ใช้นับคู่โปรตอนสองตัวที่ "ถูกปล่อยออกมา" หรือโปรตอนและนิวตรอน เพื่อพิจารณาว่านิวคลีออนมีปฏิกิริยาอย่างไรในอะตอมของนิวเคลียส การทดลองที่นิวเคลียสของอะตอมต่างๆ จากคาร์บอนที่มี 12 นิวคลีออนถึงตะกั่วด้วย 208 อะตอมถูกฉายรังสีด้วยอิเล็กตรอนพบว่ามีการกระจายตัวโดยประมาณเท่ากัน: เกือบ 95% ของการชนทั้งหมดอยู่ในคู่โปรตอน-นิวตรอน และ 5% อยู่ในปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนที่เหมือนกัน

ข้อเสียของวิธีนี้ก็คือเช่นการชนกันที่แน่นอนซึ่งอนุภาคทั้งสองถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสนั้นค่อนข้างหายาก และปัจจัยอื่นๆ อาจส่งผลต่ออนุภาคในอะตอม ดังนั้น การวัดจึงมีข้อมูลเพียงเล็กน้อย และผลลัพธ์มีข้อผิดพลาดสูง

การทดลองกับนิวเคลียสกระจกแสดงให้เห็นอะไร?

เพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้คิดค้นขึ้นมาวิธีการใหม่ พวกเขาตัดสินใจฉายรังสีนิวเคลียสของอะตอม "สะท้อน" อะตอมของฮีเลียม-3 (ไอโซโทปเสถียรของฮีเลียม) มีจำนวนนิวเคลียสเท่ากับไอโซโทปของไฮโดรเจน) แต่หากในกรณีแรกนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว ดังนั้นในกรณีที่สอง ทุกอย่างจะตรงกันข้ามกันเลยทีเดียว

นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักแล้วว่าหากสิ่งเหล่านี้อะตอม ดังนั้นความแตกต่างในชุดนิวคลีออนจะช่วยให้ระบุได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นว่าโปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสของอะตอมมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างไร ในการทดลองใหม่ มีความเป็นไปได้ที่จะรวบรวมข้อมูลได้มากกว่าครั้งก่อนๆ เนื่องจากการวิเคราะห์ไม่ต้องการเหตุการณ์บังเอิญสามครั้งที่หายาก เมื่ออนุภาคที่ถูกกระตุ้นทั้งสองลอยออกจากนิวเคลียส แม้แต่อันเดียวก็เพียงพอแล้ว

นักวิจัยรายงานว่าวิธีการใหม่เพิ่มขึ้นความแม่นยำในการวัด 10 ครั้ง อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่ได้คาดหวังว่าปฏิกิริยาของนิวคลีออนในอะตอมธรรมดาจะแตกต่างอย่างมากจากปฏิกิริยาที่ซับซ้อนซึ่งได้รับการทดสอบในการทดลองครั้งก่อน

ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสารนักฟิสิกส์ธรรมชาติรายงานว่าสัดส่วนของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่เหมือนกัน (การชนกันของโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอน) สูงขึ้นมาก: ประมาณ 20%

เราต้องการทำการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นอย่างมาก แต่ไม่ได้คาดหวังว่าการวัดจะแตกต่างกันมาก

John Arrington นักวิจัยจาก Berkeley Lab และผู้ร่วมเขียนบทความฉบับใหม่

ถัดไปคืออะไร

นักวิจัยเชื่อว่าความแตกต่างในปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคสามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำโดยขนาดของนิวเคลียส กระบวนการกระเจิงหลัก - การเปลี่ยนแปลงในทิศทางของการเคลื่อนที่ของอนุภาคเมื่อชนกับผู้อื่น - เกิดขึ้นกับคู่ของโปรตอนและนิวตรอน Arrington กล่าว แต่ในระหว่างการฉายรังสี ยังมีสาเหตุอื่นๆ ที่อาจทำให้เกิดการกระเจิงและส่งผลต่อนิวคลีออนทุกประเภท

ตัวอย่างเช่นอาจขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างกันอนุภาคที่มีนิวเคลียสเบามากกว่าอนุภาคหนัก เพื่อยืนยันสมมติฐานนี้หรือค้นหาคำอธิบายอื่น นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะทำการทดลองที่คล้ายกันกับอะตอมของแสงอื่นๆ

ทำความเข้าใจหลักการที่รับผิดชอบในการโต้ตอบอนุภาคประกอบไม่เพียงแต่มีประโยชน์ในทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์ในทางปฏิบัติด้วย รายละเอียดเหล่านี้มีความสำคัญต่อการวิเคราะห์ข้อมูลในการทดลองพลังงานสูงกับควาร์ก กลูออน และอนุภาคพื้นฐานอื่นๆ เช่น นิวตริโน นอกจากนี้ยังเป็นกระบวนการเหล่านี้ที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ของนิวคลีออนที่ก่อตัวดาวนิวตรอน

อ่านเพิ่มเติม:

ภาพแรกของส่วนใต้ดินของดาวอังคารทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ

กาแล็กซีที่อยู่ห่างจากโลก 12 พันล้านปีแสง 'ขดตัว' เป็นวงแหวนไอน์สไตน์

พืชบนดาวอังคารผลิตออกซิเจนในอัตราเฉลี่ยของต้นไม้