Парные столкновения в лёгких ядрах
Атомное ядро — занятое место. Входящие в его состав протоны и нейтроны иногда сталкиваются и ненадолго разлетаются с большой скоростью (прежде чем снова сцепиться) как два конца натянутой резиновой ленты. Используя новый метод, физики обнаружили нечто удивительное: протоны сталкиваются со своими собратьями-протонами, а нейтроны со своими собратьями-нейтронами чаще, чем ожидалось.
Предоставлено: Дженни Насс/Лаборатория Беркли.
Открытие было сделано международной группой ученых, в которую входят исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), с использованием установки непрерывного ускорителя электронного луча в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США (Jefferson Lab) в Вирджинии. Об этом сообщается в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature.
Понимание этих столкновений важно для интерпретации данных в широком диапазоне физических экспериментов, изучающих элементарные частицы. Это также поможет физикам лучше понять структуру нейтронных звезд — коллапсирующих ядер гигантских звезд, которые являются одними из самых плотных форм материи во Вселенной.
Джон Аррингтон, ученый из лаборатории Беркли, является одним из четырех представителей сотрудничества, а Шуджи Ли, ведущий автор статьи, является постдоком лаборатории Беркли. Оба находятся в отделе ядерных исследований лаборатории Беркли.
Диаграмма, показывающая рассеяние высокоэнергетических электронов на коррелированном нуклоне в зеркальных ядрах трития (слева) и гелия-3 (справа). Электрон обменивается виртуальным фотоном с одним из двух коррелированных нуклонов, выбивая его из ядра и позволяя своему энергетическому партнеру уйти. Оба ядра имеют np-пары, а тритий (гелий-3) имеет одну nn-(pp)-пару. Предоставлено: Дженни Насс/Лаборатория Беркли.
Протоны и нейтроны, частицы, из которых состоят атомные ядра, в совокупности называются нуклонами. В предыдущих экспериментах физики изучали энергичные столкновения двух нуклонов в нескольких ядрах, начиная от углерода (с 12 нуклонами) и заканчивая свинцом (с 208). Результаты были последовательными: протон-нейтронные столкновения составляли почти 95% всех столкновений, а протон-протонные и нейтрон-нейтронные столкновения составляли оставшиеся 5%.
Новый эксперимент в Лаборатории Джефферсона изучал столкновения двух «зеркальных ядер» с тремя нуклонами в каждом и обнаружил, что протон-протонные и нейтрон-нейтронные столкновения ответственны за гораздо большую долю от общего числа — примерно 20%. «Мы хотели провести значительно более точные измерения, но не ожидали, что они будут кардинально отличаться», — сказал Аррингтон.
Использование одного столкновения для изучения другого
Атомные ядра часто изображают как плотные скопления протонов и нейтронов, слипшихся вместе, но на самом деле эти нуклоны постоянно вращаются вокруг друг друга. «Это похоже на Солнечную систему, но гораздо более многолюдно», — сказал Аррингтон. В большинстве ядер нуклоны проводят около 20% своей жизни в высокоимпульсных возбужденных состояниях, возникающих в результате двухнуклонных столкновений.
Для изучения этих столкновений физики воздействуют на ядра пучками высокоэнергетических электронов. Измеряя энергию и угол отдачи рассеянного электрона, они могут сделать вывод о том, как быстро должен был двигаться столкнувшийся с ним нуклон. «Это похоже на разницу между отскакиванием мячика для пинг-понга от движущегося лобового стекла или от неподвижного лобового стекла», — сказал Аррингтон. Это позволяет им выявлять события, в которых электрон (недавно столкнулся с другим нуклоном) рассеивается на протоне с большим импульсом.
В этих электрон-протонных столкновениях влетающий электрон накапливает достаточно энергии, чтобы полностью выбить уже возбужденный протон из ядра. Это разрушает взаимодействие типа резиновой ленты, которое обычно связывает возбужденную пару нуклонов, поэтому второй нуклон также покидает ядро.
В предыдущих исследованиях столкновений двух тел физики сосредоточились на событиях рассеяния, в которых они обнаруживали отскакивающий электрон вместе с обоими вылетевшими нуклонами. Пометив все частицы, они смогли подсчитать относительное количество пар протон-протон и пар протон-нейтрон. Но такие события «тройного совпадения» относительно редки, и анализ требовал тщательного учета дополнительных взаимодействий между нуклонами, которые могли исказить счет.
Зеркальные ядра повышают точность
Авторы новой работы нашли способ установить относительное количество пар протон-протон и протон-нейтрон без регистрации вылетевших нуклонов. Хитрость заключалась в измерении рассеяния от двух «зеркальных ядер» с одинаковым числом нуклонов: трития, редкого изотопа водорода с одним протоном и двумя нейтронами, и гелия-3, имеющего два протона и один нейтрон. Гелий-3 выглядит точно так же, как тритий с переставленными протонами и нейтронами, и эта симметрия позволила физикам отличить столкновения с участием протонов от столкновений с участием нейтронов, сравнивая два набора данных.
Усилия по созданию зеркального ядра начались после того, как физики Лаборатории Джефферсона запланировали разработать газовую ячейку с тритием для экспериментов по рассеянию электронов — первое подобное использование этого редкого и темпераментного изотопа за десятилетия. Аррингтон и его сотрудники увидели уникальную возможность по-новому изучить столкновения двух тел внутри ядра.
В новом эксперименте удалось собрать гораздо больше данных, чем в предыдущих экспериментах, потому что анализ не требовал редких событий тройного совпадения. Это позволило команде повысить точность предыдущих измерений в десять раз. У них не было оснований ожидать, что двухнуклонные столкновения в тритии и гелии-3 будут происходить по-другому, чем в более тяжелых ядрах, поэтому результаты стали полной неожиданностью.
Загадки сильной силы остаются
Сильное ядерное взаимодействие хорошо изучено на самом фундаментальном уровне, где оно управляет субатомными частицами, называемыми кварками и глюонами. Но, несмотря на эти прочные основы, взаимодействия составных частиц, таких как нуклоны, очень трудно рассчитать. Эти детали важны для анализа данных в высокоэнергетических экспериментах по изучению кварков, глюонов и других элементарных частиц, таких как нейтрино. Они также имеют отношение к тому, как нуклоны взаимодействуют в экстремальных условиях, преобладающих в нейтронных звездах.
Аррингтон догадывается, что может происходить. Доминирующий процесс рассеяния внутри ядер происходит только для пар протон -нейтрон. Но важность этого процесса по сравнению с другими типами рассеяния, которые не отличают протоны от нейтронов, может зависеть от среднего расстояния между нуклонами, которое имеет тенденцию быть больше в легких ядрах, таких как гелий-3, чем в более тяжелых ядрах.
Для проверки этой гипотезы потребуются дополнительные измерения с использованием других легких ядер. «Ясно, что гелий-3 отличается от горстки тяжелых ядер, которые были измерены», — сказал Аррингтон. «Теперь мы хотим провести более точные измерения других легких ядер, чтобы получить окончательный ответ».
