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.
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.
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