Атомне ядро – незвичайне місце. Відомо, що до його складу входять протони та нейтрони. Ці частинки, або
Загадки сильної взаємодії, яка івизначає рух цих частинок, змушують вчених шукати нові способи заглянути всередину атома, щоб зрозуміти, що там відбувається. Фізики вигадали новий метод, який використовує дзеркальні атоми, і виявили, що протони стикаються зі своїми побратимами-протонами, а нейтрони зі своїми побратимами-нейтронами частіше, ніж очікувалося.
Що таке сильна взаємодія?
Сильна ядерна взаємодія - одна зфундаментальних взаємодій поряд з гравітацією, електромагнетизмом та слабкою взаємодією. Воно найбільш добре вивчене на квантовому рівні. Взаємодія між кварками (елементарними частинками, що становлять матерію) та глюонами (безмасовими переносниками сильної взаємодії) описує квантова хромодинаміка.
Вчені вважають, що кожен кварк єносієм специфічного квантового заряду. Його називають кольором, хоча це умовний термін, який не має відношення до оптичних властивостей. Крім того, він має певний вектор стану в комплексному тривимірному кольоровому просторі.
Сильна взаємодія - це процес, в якомукварки обмінюються зарядом (кольором), що переноситься глюоном. На відміну від фотона в електромагнітній взаємодії, що є унікальним і не має власного заряду, кожен глюон несе певний колір. Дослідники виділяють вісім типів таких частинок із різним зарядом.
Схема сильної взаємодії. Зображення: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Як зрозуміло з назви, сильна взаємодіянайпотужніша, але діє вона тільки на невеликих відстанях, порівнянних з розміром атомного ядра і менше. Дивовижна особливість цієї взаємодії в тому, що при збільшенні відстані між кварками вона зростає, а при зменшенні – слабшає.
Цей ефект зумовлює конфайнмент – замкненість кварків усередині адронів (складових частинок). Тому кварк неспроможна існувати у вільному просторі, лише у складі складніших частинок.
Розрив взаємодії між двома кварками під дією енергії призводить до народження нової пари кварку та антикварку. Анімація, розваги Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Хоча сильна взаємодія — це добре розроблена теорія фізики елементарних частинок, взаємодії складових частинок, таких як адрони та нуклони (протони та нейтрони), дуже важко розрахувати.
Як вимірюють взаємодію нуклонів?
Умовна модель атома (ліворуч) та гелію-4 (праворуч). Сірий колір - електронна хмара, на збільшеному зображенні показано ядро. Зображення праворуч: User:Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Атомні ядра часто зображують як щільніскупчення протонів і нейтронів, що злиплися разом, але насправді ці нуклони постійно обертаються один навколо одного. При цьому вони стикаються і знову розлітаються, але на гумці сильної взаємодії повертаються назад. За оцінкою вчених, у більшості ядер нуклони проводять близько 20% свого життя у високоімпульсних збуджених станах, спричинених цими зіткненнями.
Правильна інтерпретація безлічі фізичнихекспериментів, наприклад, тих, що проводяться на Великому адронному колайдері та інших прискорювачах частинок, залежить від того, наскільки добре вчені розуміють такі зіткнення.
Для їх дослідження фізики впливають наатомні ядра пучками високоенергетичних електронів Якщо виміряти, з якою енергією і в якому напрямку почав рухатися електрон, що зіткнувся з позитивно зарядженим протоном атомного ядра, можна визначити, як швидко рухався.
Крім того, високозаряджений електрон маєдостатнім імпульсом, щоб розірвати сильну взаємодію та вибити «збуджений» протон з атомного ядра. У процесі розриву зв'язку в ряді випадків слідом за ним викидає і його «партнера» — частинку, з якою він зіткнувся востаннє і пов'язаний з сильною взаємодією.
У класичних експериментах фізики використовуютьпідрахунок таких «викинутих» пар із двох протонів чи протона і нейтрону, щоб визначити, як взаємодіють нуклони в атомах ядра. Експерименти, в яких електронами опромінювали ядра різних атомом від вуглецю з 12 нуклонами до свинцю з 208, показали приблизно однаковий розподіл: майже 95% всіх зіткнень припадає на пари "протон-нейтрон", а 5% - на взаємодію між однаковими нуклонами.
Недолік цього методу полягає в тому, що такіТочні зіткнення, у яких з ядра вилітають обидві частинки, досить рідкісні, але в частки в атомах можуть впливати й інші чинники. Тому виміри містять мало даних, а результати – високу похибку.
Що показав експеримент із дзеркальними ядрами?
Щоб оминути це обмеження, вчені вигадалиновий метод. Вони вирішили опромінювати «дзеркальні» атомні ядра. В атомі гелію-3 (стабільного ізотопу гелію) така сама кількість нуклонів, як і в тритії (ізотоп водню). Але якщо в першому випадку ядро складається з двох протонів і одного нейтрона, то в другому все з точністю навпаки.
Вчені зрозуміли, що якщо опромінювати кожен із цихатомів, то різниця в наборах нуклону допоможе точніше визначити, як взаємодіють між собою протони та нейтрони атомних ядер. У новому експерименті вдалося зібрати набагато більше даних, ніж у попередніх, тому що аналіз не вимагав поодиноких подій потрійного збігу, коли з ядра вилітали обидві збуджені частинки, достатньо було навіть однієї.
Дослідники повідомляють, що новий метод підвищивточність вимірів у 10 разів. При цьому вони не очікували, що взаємодії нуклонів у простих атомах сильно відрізнятимуться від складних, які тестували в попередніх експериментах.
У роботі, нещодавно опублікованій у журналіNature, фізики повідомляють, що частка взаємодій між ідентичними частинками (протон-протонні та нейтрон-нейтронні зіткнення) виявилася набагато вищою: вона становить близько 20%.
Ми хотіли провести значно точніші виміри, але не очікували, що вони сильно відрізнятимуться.
Джон Аррінгтон, дослідник з лабораторії Берклі та співавтор нової роботи
Що далі?
Дослідники вважають, що різниця ввзаємодії частинок можна пояснити саме розміром ядер. Основні процеси розсіювання - зміни напрямку руху частинок при зіткненні з іншими - відбуваються з парами з протону та нейтрону, вважає Аррінгтон. Але при опроміненні є й інші причини, які можуть викликати розсіювання та впливати на всі типи нуклонів.
Наприклад, вони можуть залежати від відстані міжчастинками, які у легких ядрах більше, ніж у важких. Щоб підтвердити цю гіпотезу або знайти альтернативне пояснення, вчені планують провести аналогічні експерименти з іншими легкими атомами.
Розуміння принципів, які відповідають за взаємодіюскладових частинок, має як теоретичний, а й практичний інтерес. Ці деталі важливі для аналізу даних високоенергетичних експериментах з вивчення кварків, глюонів та інших елементарних частинок, таких як нейтрино. Крім того, саме ці процеси пояснюють взаємодію нуклонів, які формують нейтронні зірки.
Читати далі:
Перші знімки підземної частини Марса здивували вчених
Галактика, розташована за 12 млрд світлових років від Землі, «згорнулася» в кільце Ейнштейна
Установка на Марсі робить кисень зі швидкістю середнього дерева.