Протоны и нейтроны сталкиваются со своими собратьями чаще, чем предполагали ученые

Атомное ядро ​​— очень интересное место. Его протоны и нейтроны периодически сталкиваются и разлетаются с большой скоростью, прежде чем снова сблизиться, как резиновая лента. Физики, исследующие эти энергетические столкновения в ядрах, обнаружили нечто неожиданное: протоны сталкиваются со своими собратьями-протонами, а нейтроны со своими собратьями-нейтронами чаще, чем ожидалось.

Международная группа ученых, в том числе исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса сделала открытие, используя Ускоритель непрерывного электронного луча в ускорительном комплексе Томаса Джефферсона. Их выводы были недавно опубликованы в журнале Nature.

Понимание этих столкновений имеет решающее значение для понимания данных из широкого спектра основных экспериментов по физике элементарных частиц. Это также поможет ученым лучше понять структуру нейтронных звезд, которые представляют собой схлопнувшиеся ядра огромных звезд и одну из самых плотных форм материи во Вселенной.

Зеркальные ядра

Частицы, из которых состоят атомные ядра, протоны и нейтроны, в совокупности называются нуклонами.

Ранее физики исследовали интенсивные двухнуклонные столкновения в различных ядрах, начиная от углерода (с 12 нуклонами) и заканчивая свинцом (с 208). На протон-нейтронные столкновения приходилось более 95% всех столкновений, а на протон-протонные и нейтронно-нейтронные столкновения приходилось оставшиеся 5%.

Новый эксперимент 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 сильно отличаться», — говорят ученые.

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.

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 позволяет им выявлять события, в которых электрон рассеивается на протоне с большим импульсом, который недавно столкнулся с другим нуклоном.

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 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 подсчет.

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 количеством 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 запланировали разработать газовую ячейку с тритием для экспериментов по рассеянию электронов — первое подобное использование этого редкого и темпераментного изотопа за десятилетия. Ученые 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 сильного взаимодействия 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.

Ученые догадываются, 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 тяжелых ядер, которые были измерены», — говорят ученые. «Теперь мы хотим настаивать на более точных измерениях других легких ядер, чтобы получить окончательный ответ».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.