Физики переворачивают ускоритель частиц, чтобы получить более четкое представление об атомных ядрах

Результаты, опубликованные в Nature Physics, демонстрируют, что обратная кинематика может быть использована для характеристики структуры нестабильных ядер — необходимых ингредиентов, которые ученые могут использовать для понимания динамики нейтронных звезд и процессов, посредством которых они генерируют тяжелые элементы.

Эксперимент представляет собой инверсию обычных ускорителей частиц, которые «бросают» электроны на атомные ядра, чтобы исследовать их структуры. Команда физиков использовала подход «обратной кинематики», чтобы отсеять беспорядочные квантово-механические воздействия внутри ядра, чтобы обеспечить четкое представление о протонах и нейтронах ядра, а также его парах с короткодействующей корреляцией (SRC). Это пары протонов или нейтронов, которые на короткое время связываются, образуя сверхплотные капли ядерной материи, и которые, как полагают, доминируют в сверхплотных средах нейтронных звезд.

«Мы открыли дверь для изучения пар SRC не только в стабильных ядрах, но и в богатых нейтронами ядрах, которые очень распространены в таких средах, как нейтронные звезды», — говорит соавтор исследования Ор Хен, доцент физики Массачусетского технологического института. — Это приближает нас к пониманию столь экзотических астрофизических явлений.»

Соавторами работы являются ученые из Массачусетского технологического института, Тель-Авивского университета, а также исследователи из Дармштадтского технического университета, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в России, Французской комиссии по альтернативным энергиям и атомной энергии (CEA) и Центра исследований тяжелых ионов GSI имени Гельмгольца в Германии.

Инвертированный ускоритель

Ускорители частиц обычно исследуют ядерные структуры с помощью рассеяния электронов, при котором высокоэнергетические электроны излучаются на неподвижное облако ядер-мишеней. Когда электрон попадает в ядро, он выбивает протоны и нейтроны, и при этом электрон теряет энергию. Исследователи измеряют энергию электронного пучка до и после этого взаимодействия, чтобы вычислить исходные энергии протонов и нейтронов, которые были выброшены.

Хотя рассеяние электронов является точным способом восстановления структуры ядра, это также игра случая. Вероятность того, что электрон попадет в ядро, относительно мала, учитывая, что один электрон исчезающе мал по сравнению со всем ядром. Чтобы увеличить эту вероятность, пучки нагружаются все более высокими плотностями электронов.

Ученые также используют пучки протонов вместо электронов для зондирования ядер, поскольку протоны сравнительно крупнее и с большей вероятностью попадут в цель. Но протоны также более сложны и состоят из кварков и глюонов, взаимодействие которых может запутать окончательную интерпретацию самого ядра.

Чтобы получить более ясную картину, физики в последние годы перевернули традиционную установку: направляя пучок ядер, или ионов, на мишень протонов — ученые могут не только непосредственно измерять выбитые протоны и нейтроны, но и сравнивать исходное ядро с остаточным ядром, или ядерным фрагментом, после того как оно взаимодействовало с целевым протоном.

«С перевернутой кинематикой мы точно знаем, что происходит с ядром, когда мы удаляем его протоны и нейтроны», — говорят исследователи.

Квантовое просеивание

Команда физиков использовала этот перевернутый кинематический подход к сверхвысоким энергиям, используя ускоритель частиц ОИЯИ для нацеливания на неподвижное облако протонов пучком ядер углерода-12, которые они выстрелили на 48 миллиардов электрон-вольт — на порядки выше, чем энергии, обнаруженные в ядрах естественным образом.

При таких высоких энергиях любой нуклон, взаимодействующий с протоном, будет выделяться в данных по сравнению с невзаимодействующими нуклонами, проходящими при гораздо более низких энергиях. Таким образом, исследователи могут быстро изолировать любые взаимодействия, которые действительно имели место между ядром и протоном.

Из этих взаимодействий команда выбрала остаточные ядерные фрагменты, ища бор-11 — конфигурацию углерода-12, минус один протон. Если ядро начиналось как углерод-12 и заканчивалось как бор-11, это могло означать только то, что оно столкнулось с целевым протоном таким образом, что потеряло один протон. Если бы целевой протон выбил более одного протона, это было бы результатом квантово-механических эффектов внутри ядра, которые было бы трудно интерпретировать. Команда ученых выделила бор-11 в качестве четкой сигнатуры и отбросила любые более легкие, квантово влияющие фрагменты.

Исследователи рассчитали энергию протона, выбитого из исходного ядра углерода-12, основываясь на каждом взаимодействии, которое произвело бор-11. Когда они поместили энергии в график, картина точно соответствовала хорошо установленному распределению углерода-12 — подтверждение перевернутого, высокоэнергетического подхода.

Затем они применили этот метод на коррелированных парах ближнего радиуса действия, чтобы посмотреть, смогут ли они восстановить соответствующие энергии каждой частицы в паре —  фундаментальную информацию для окончательного понимания динамики нейтронных звезд и других нейтронно-плотных объектов.

Они повторили эксперимент и на этот раз искали бор-10, конфигурацию углерода-12, минус протон и нейтрон. Любое обнаружение бора-10 означало бы, что ядро углерода-12 взаимодействовало с целевым протоном, который выбивал протон, и его связанный партнер-нейтрон. Ученые могли измерить энергии как мишени, так и выбитых протонов, чтобы вычислить энергию нейтрона и энергию исходной пары SRC.

В общей сложности исследователи наблюдали 20 взаимодействий SRC и по ним нанесли на карту распределение энергий SRC углерода-12, что хорошо согласуется с предыдущими экспериментами. Полученные результаты позволяют предположить, что обратная кинематика может быть использована для характеристики пар SRC в более нестабильных и даже радиоактивных ядрах с большим количеством нейтронов.

«Теперь мы можем систематически добавлять больше нейтронов в систему и наблюдать, как SRC эволюционируют, что поможет нам узнать, что происходит в нейтронных звездах, которые имеют гораздо больше нейтронов, чем что-либо еще во Вселенной.» — говорят исследователи.

Unperturbed inverse kinematics nucleon knockout measurements with a carbon beam, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01193-4