Физики определили сильное взаимодействие на самых больших расстояниях
Сильное взаимодействие, также называемое сильным ядерным взаимодействием, является одной из четырех основных сил в природе, наряду с гравитацией, электромагнитным взаимодействием и слабым ядерным взаимодействием. Как следует из названия, сильное взаимодействие — самая сильная из четырех; однако у него также самый короткий радиус действия, а это означает, что частицы должны быть очень близко, прежде чем почувствуются его эффекты.
Его основная задача — удерживать вместе субатомные частицы ядра (протоны и нейтроны). В новом исследовании физики экспериментально извлекли силу сильного взаимодействия. Эта величина, известная как связь сильного взаимодействия, описывает, насколько сильно два тела взаимодействуют или «сцепляются» под действием этой силы.
Связь зависит от расстояния между частицами, на которые действует сила. До этого исследования, теории расходились во мнениях относительно того, как сильное взаимодействие должно вести себя на большом расстоянии: одни предсказывали, что сила должна возрастать с расстоянием, другие — что она должна уменьшаться, а третьи — что она должна оставаться постоянной. С новыми данными исследователи смогли определить сильное взаимодействие на самых больших расстояниях.
При меньших расстояниях между кварками сильное взаимодействие невелико, и физики могут найти ее с помощью стандартного итерационного метода.
Однако на больших расстояниях связь становится настолько большой, что итерационный метод больше не работает.
«Это одновременно и проклятие, и благословение», — сказал Александр Дер, физик из Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона и факультета физики Университета Вирджинии. «Хотя нам приходится использовать более сложные методы для вычисления этой величины, само ее значение высвобождает множество очень важных новых явлений».
Несмотря на невозможность использовать итерационный метод, ученые извлекли сильное взаимодействие на самых больших расстояниях между взаимодействующими телами.
Они извлекли это значение из нескольких экспериментов на Ускорителе непрерывного электронного луча (CEBAF), которые на самом деле были предназначены для изучения чего-то совершенно другого: вращения протона и нейтрона.
CEBAF способен создавать пучки поляризованных электронов, которые можно направлять на специализированные мишени, содержащие поляризованные протоны и нейтроны.
Когда электронный пучок поляризован, это означает, что большинство электронов вращаются в одном направлении.
В этих экспериментах исследователи стреляли поляризованными электронными пучками по поляризованным протонным или нейтронным мишеням.
В течение нескольких лет последующего анализа данных исследователи поняли, что могут объединить информацию, собранную о протонах и нейтронах, для извлечения сильного взаимодействие на больших расстояниях.
«Только высокоэффективный поляризованный электронный пучок CEBAF в сочетании с разработками в области поляризованных целей и систем обнаружения позволили нам получить такие данные», — говорят ученые.
Они обнаружили, что по мере увеличения расстояния между телами сильное взаимодействие быстро растет, прежде чем выровняться и стать постоянным.
«Есть несколько теорий, которые предсказывали, что это должно быть так, но это первый экспериментальный случай, когда мы действительно наблюдаем это» — говорят исследователи.
«Это дает нам подробную информацию о том, как на самом деле работает сильное взаимодействие в масштабе кварков, образующих протоны и нейтроны».
Результаты команды были опубликованы в журнале Particles.