Загадка сильного взаимодействия: как это явление изучают с помощью зеркальных атомов

Сильное взаимодействие определяет фундаментальные свойства материи, связывает кванты в адроны и удерживает частицы атомного ядра вместе. Несмотря на то, что теория, определяющая этот тип взаимодействия, одна из самых полных в физике элементарных частиц, взаимодействие элементов, состоящих из нескольких кварков, все еще вызывает много вопросов. «Хайтек» рассказывает, как физики изучают процессы, происходящие внутри атомного ядра, и что нового удалось узнать об этом крошечном мире.

Атомное ядро — необычное место. Известно, что в его состав входят протоны и нейтроны. Эти частицы, или нуклоны, — не просто слипшийся комок пластиковых шариков, как часто рисуют на картинках. Они постоянно находятся в движении, иногда сталкиваются, чтобы ненадолго разлететься, а потом снова вернуться, как два конца растянутой резинки. 

Загадки сильного взаимодействия, которое и определяет движение этих частиц, заставляют ученых искать все новые способы заглянуть внутрь атома, чтобы понять, что там происходит. Физики придумали новый метод, который использует зеркальные атомы, и обнаружили, что протоны сталкиваются со своими собратьями-протонами, а нейтроны со своими собратьями-нейтронами чаще, чем ожидалось.

Что такое сильное взаимодействие?

Сильное ядерное взаимодействие — одно из фундаментальных взаимодействий наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Оно наиболее хорошо изучено на квантовом уровне. Взаимодействие между кварками (элементарными частицами, составляющими материю) и глюонами (безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия) описывает квантовая хромодинамика.

Ученые считают, что каждый кварк является носителем специфического квантового заряда. Его называют цветом, хотя это условный термин, который не имеет отношения к оптическим свойствам. Кроме того, у него есть определенный вектор состояния в комплексном трехмерном цветном пространстве. 

Сильное взаимодействие — это процесс, в котором кварки обмениваются зарядом (цветом), переносимым глюоном. В отличие от фотона в электромагнитном взаимодействии, который уникален и не имеет собственного заряда, каждый глюон несет определенный цвет. Исследователи выделяют восемь типов таких частиц с разным зарядом.

Схема сильного взаимодействия. Изображение: ManishearthCC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Как понятно из названия, сильное взаимодействие — самое мощное, но действует оно только на небольших расстояниях, сравнимых с размером атомного ядра и меньше. Удивительная особенность этого взаимодействия в том, что при увеличении расстояния между кварками оно возрастает, а при уменьшении — ослабевает. 

Этот эффект обуславливает конфайнмент — запертость кварков внутри адронов (составных частиц). Поэтому кварк не может существовать в свободном пространстве, а только в составе более сложных частиц.

Разрыв взаимодействия между двумя кварками под действием энергии приводит к рождению новой пары кварка и антикварка. Анимация: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Хотя сильное взаимодействие — самая хорошо разработанная теория физики элементарных частиц, взаимодействия составных частиц, таких как адроны и нуклоны (протоны и нейтроны), очень трудно рассчитать.

Как измеряют взаимодействие нуклонов?

Атомные ядра часто изображают как плотные скопления протонов и нейтронов, слипшихся вместе, но на самом деле эти нуклоны постоянно вращаются друг вокруг друга. При этом они сталкиваются и снова разлетаются, но на «резинке» сильного взаимодействия возвращаются назад. По оценке ученых, в большинстве ядер нуклоны проводят около 20% своей жизни в высокоимпульсных возбужденных состояниях, вызванных этими столкновениями.

Правильная интерпретация множества физических экспериментов, например, тех, что проводятся на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц, зависит от того, насколько хорошо ученые понимают такие столкновения.

Для их исследования физики воздействуют на атомные ядра пучками высокоэнергетических электронов. Если измерить, с какой энергией и в каком направлении начал двигаться электрон, столкнувшийся с положительно заряженным протоном атомного ядра, можно определить, как быстро он двигался. 

Кроме того, высокозаряженный электрон обладает достаточным импульсом, чтобы разорвать сильное взаимодействие и выбить «возбужденный» протон из атомного ядра. В процессе разрыва связи в ряде случаев следом за ним выбрасывает и его «партнера» — частицу, с которой он столкнулся последний раз и связан сильным взаимодействием. 

В классических экспериментах физики используют подсчет таких «выброшенных» пар из двух протонов или протона и нейтрона, чтобы определить, как взаимодействуют нуклоны в атомах ядра. Эксперименты, в которых электронами облучали ядра различных атомом от углерода с 12 нуклонами до свинца с 208, показали примерно одинаковое распределение: почти 95% всех столкновений приходится на пары «протон-нейтрон», а 5% — на взаимодействие между одинаковыми нуклонами.

Недостаток этого метода состоит в том, что такие точные столкновения, в которых из ядра вылетают обе частицы, достаточно редки, а на частицы в атомах могут воздействовать и другие факторы. Поэтому измерения содержат мало данных, а результаты — высокую погрешность.

Что показал эксперимент с зеркальными ядрами?

Чтобы обойти это ограничение, ученые придумали новый метод. Они решили облучать «зеркальные» атомные ядра. В атоме гелия-3 (стабильного изотопа гелия) такое же количество нуклонов, как и в тритии (изотоп водорода). Но если в первом случае ядро состоит из двух протонов и одного нейтрона, то во втором — все с точностью наоборот. 

Ученые поняли, что если облучать каждый из этих атомов, то разница в наборах нуклона поможет точнее определить, как взаимодействуют между собой протоны и нейтроны атомных ядер. В новом эксперименте удалось собрать гораздо больше данных, чем в предыдущих, потому что анализ не требовал редких событий тройного совпадения, когда из ядра вылетали обе возбужденные частицы, достаточно было даже одной. 

Исследователи сообщают, что новый метод повысил точность измерений в 10 раз. При этом они не ожидали, что взаимодействия нуклонов в простых атомах будут сильно отличаться от сложных, которые тестировали в предыдущих экспериментах.

В работе, недавно опубликованной в журнале Nature, физики сообщают, что доля взаимодействий между идентичными частицами (протон-протонные и нейтрон-нейтронные столкновения) оказалась гораздо выше: она составляет около 20%.

Мы хотели провести значительно более точные измерения, но не ожидали, что они будут сильно отличаться.

Джон Аррингтон, исследователь из лаборатории Беркли и соавтор новой работы

Что дальше?

Исследователи полагают, что разница во взаимодействии частиц может быть объяснена именно размером ядер. Основные процессы рассеивания — изменения направления движения частиц при столкновении с другими — происходят с парами из протона и нейтрона, считает Аррингтон. Но при облучении есть и другие причины, которые могут вызывать рассеивание и влиять на все типы нуклонов.

Например, они могут зависеть от расстояния между частицами, которые в легких ядрах больше, чем в тяжелых. Чтобы подтвердить эту гипотезу или найти альтернативное объяснение, ученые планируют провести аналогичные эксперименты с другими легкими атомами. 

Понимание принципов, отвечающих за взаимодействие составных частиц, имеет не только теоретический, но и практический интерес. Эти детали важны для анализа данных в высокоэнергетических экспериментах по изучению кварков, глюонов и других элементарных частиц, таких как нейтрино. Кроме того, именно эти процессы объясняют взаимодействие нуклонов, формирующих нейтронные звезды.


Читать далее:

Первые снимки подземной части Марса удивили ученых

Галактика, расположенная в 12 млрд световых лет от Земли, «свернулась» в кольцо Эйнштейна

Установка на Марсе производит кислород со скоростью среднего дерева

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Созданы очки с искусственным интеллектом для незрячих людей
Новости
Минобрнауки продолжит программу кэшбека для инвесторов университетских стартапов
Новости
OpenAI представила GPT-4.1: модель с улучшенными возможностями для программистов
Новости
Китайские ученые превратили мох в губку, которая впитывает нефть
Наука
Университет Иннополис запускает бесплатные экскурсии в Центр робототехники
Иннополис
Интерактивная карта клетки человека раскрывает тайны детского рака костей
Наука
«Уэбб» раскрыл детали космической катастрофы: как звезда поглотила планету
Космос
Российский госсектор потратил 2,4 млрд рублей за год на оборудование для ИИ
Новости
Китайская компания анонсировала первый матч по боксу между роботами
Новости
Эта черная дыра «проснулась» настолько голодной, что нарушила все модели ученых
Космос
Мошенники начали использовать схему с домофоном, чтобы красть деньги с банковских карт
Новости
Галактика-соседка Млечного Пути начинает разрушаться: что происходит
Космос
Россиян поздравили с Днем космонавтики прямо с МКС
Космос
Разработаны «бактерии-шпионы»: они посылают сигнал, заметный с высоты
Наука
Ученые разработали «плащ-невидимку» для нейронов для лечения Паркинсона
Наука
В России разработали проект строительства атомной электростанции на Луне
Космос
Пробуждение гиганта: яркие вспышки наблюдали у проснувшейся черной дыры
Космос
В ИТМО придумали, как «продлить жизнь» ракового белка для тестирования лекарств
Наука
Создана карта полумиллиарда нейронных связей, которые позволяют мышам видеть
Наука
Ученые из Яндекса и MIT придумали, как запускать LLM на ноутбуках и смартфонах
Новости