В каждом атоме Вселенной скрыта тайна

Никто точно не знает, что происходит внутри атома. Но две конкурирующие группы ученых думают, что они поняли это. И обе стремятся доказать, что их собственное видение верно.

Вот что мы знаем наверняка: Электроны вращаются по орбиталям во внешней оболочке атома. При этом остается очень много пустого пространства. А прямо в центре этого пространства, есть крошечное ядро ​​- плотный узел протонов и нейтронов, которые дают атому большую часть его массы.

Протоны и нейтроны собираются вместе, связанные так называемой силой сильного ядерного взаимодействия. И число этих протонов и нейтронов определяет, является ли атом атомом железа, кислорода или водорода, и является ли он радиоактивным или стабильным.

Тем не менее, никто не знает, как эти протоны и нейтроны (вместе известные как нуклоны) ведут себя внутри атома. Вне атома протоны и нейтроны имеют определенные размеры и формы.

Каждый из них состоит из трех более мелких частиц, называемых кварками, и взаимодействия между этими кварками настолько интенсивны, что никакая внешняя сила не может деформировать их, даже мощные силы между частицами в ядре атома.

Но на протяжении десятилетий исследователи знали, что теория в некотором роде неверна. Эксперименты показали, что внутри ядра протоны и нейтроны кажутся гораздо большими, чем они должны быть.

Физики разработали две конкурирующие теории, которые пытаются объяснить это странное несоответствие, и сторонники каждой из них совершенно уверены, что другая неверна. Однако оба лагеря согласны с тем, что каков бы ни был правильный ответ, он должен исходить из области, выходящей за пределы их собственных.

По крайней мере, с 1940-х годов физики знали, что нуклоны движутся по узким маленьким орбитали внутри ядра, сказал Геральд Миллер, физик-ядерщик из Вашингтонского университета. Нуклоны, ограниченные в своих движениях, имеют очень мало энергии. Они сдерживаются сильным взаимодействием.

В 1983 году физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) заметили нечто странное: пучки электронов отскакивали от железа таким образом, который сильно отличался от того, как они отскакивали от свободных протонов, сказал Миллер.

Это было неожиданно; если бы протоны внутри водорода были того же размера, что и протоны внутри железа, электроны должны были отскочить почти таким же образом.

Сначала исследователи не знали, на что они смотрят.

Но со временем ученые пришли к выводу, что это проблема размера. По какой-то причине протоны и нейтроны внутри тяжелых ядер действуют так, как будто они намного больше, чем когда они находятся вне ядер. Исследователи называют это явление эффектом ЕМС, в честь европейского мюонного сотрудничества — группы, которая случайно обнаружила его. Это нарушает существующие теории ядерной физики.

Ор Хен, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института высказал идею, которая потенциально может объяснить, что происходит.

По его словам, в то время как кварки, субатомные частицы, которые составляют нуклоны, сильно взаимодействуют внутри протона или нейтрона, кварки в разных протонах и нейтронах не могут сильно взаимодействовать друг с другом. Ядерное взаимодействие внутри нуклона настолько сильно, что затмевает сильную ядерную силу, удерживающую нуклоны в других ядрах.

«Представьте, что вы сидите в своей комнате и разговариваете с двумя своими друзьями с закрытыми окнами», — сказал Хен. Трио в комнате — это три кварка внутри нейтрона или протона. «На улице дует легкий ветерок».

Этот легкий ветерок — это сила, удерживающая протон или нейтрон в соседних нуклонах, которые находятся «за пределами» окна. Даже если немного приоткрыть закрытое окно, это вряд ли повлияет на вас.

И пока нуклоны остаются на своих орбиталях, это так. Однако, по его словам, недавние эксперименты показали, что в любой момент времени около 20% нуклонов в ядре фактически находятся за пределами своих орбиталей. Вместо этого они в паре с другими нуклонами, взаимодействуя в «корреляциях ближнего действия».

В этих обстоятельствах взаимодействия между нуклонами имеют гораздо большую энергию, чем обычно, сказал он. Это потому, что кварки проникают через стенки своих отдельных нуклонов и начинают напрямую взаимодействовать, и эти взаимодействия между кварками и кварками намного более мощные, чем взаимодействия нуклонов с нуклонами.

Эти взаимодействия разрушают стены, разделяющие кварки внутри отдельных протонов или нейтронов, сказал Хен. Кварки, составляющие один протон, и кварки, составляющие другой протон, начинают занимать одно и то же пространство. Это заставляет протоны (или нейтроны, в зависимости от обстоятельств) растягиваться и размываться, сказал Хен. Они сильно растут, хотя и в течение очень коротких периодов времени. Это искажает средний размер всей когорты в ядре, создавая ЕМС-эффект.

По словам Хена, большинство физиков в настоящее время принимают эту интерпретацию эффекта ЕМС.

Но не все думают, что группа Хена решила эту проблему. Ян Клоэт, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, сказал, что, по его мнению, работа Хена делает выводы, которые не полностью подтверждаются.

«Я думаю, что эффект электромагнитной совместимости все еще не разрешен», — сказал Клоэт. Это потому, что базовая модель ядерной физики уже учитывает множество пар ближнего действия, описанных Хен. Тем не менее, «если вы воспользуетесь этой моделью, чтобы попытаться взглянуть на эффект EMC, вы не будете описывать эффект EMC. Нет успешного объяснения эффекта EMC с использованием этой платформы. Так что, на мой взгляд, это все еще остается загадкой».

Ор Хен и его сотрудники выполняют экспериментальную работу, которая является «доблестной» и «очень хорошей наукой», сказал он. Но это не полностью решает проблему атомного ядра.

«Ясно, что традиционная модель ядерной физики… не может объяснить этот эффект ЕМС», — сказал он. «Теперь мы думаем, что объяснение должно исходить от самой КХД».

КХД означает квантовую хромодинамику — систему правил, управляющих поведением кварков. Переход от ядерной физики к КХД — это все равно, что дважды смотреть на одну и ту же картинку: один раз на телефон первого поколения — это ядерная физика, а затем снова на телевизор с высоким разрешением — это квантовая хромодинамика. Телевизор с высоким разрешением предлагает гораздо больше деталей, но его сложнее построить.

Проблема заключается в том, что полные уравнения КХД, описывающие все кварки в ядре, слишком сложны для решения. По оценкам Клоэта, современные суперкомпьютеры находятся на расстоянии около 100 лет от того, чтобы быть достаточно быстрыми для выполнения этой задачи. И даже если бы суперкомпьютеры были достаточно быстрыми сегодня, уравнения не достигли такого уровня, когда вы могли бы поместить их в компьютер, сказал он.

Тем не менее, по его словам, с КХД можно работать, чтобы ответить на некоторые вопросы. И прямо сейчас, по его словам, эти ответы предлагают другое объяснение эффекта электромагнитной совместимости: теория ядерного среднего поля.

Он не согласен с тем, что 20% нуклонов в ядре связаны в ближних корреляциях. Эксперименты просто не доказывают этого, сказал он. И есть теоретические проблемы с идеей. Это говорит о том, что нам нужна другая модель, сказал Ян Клоэт.

«Картина, которая у меня есть, заключается в том, что мы знаем, что внутри ядра находятся эти очень сильные ядерные силы», — сказал Клоэт. Это «немного похоже на электромагнитные поля, за исключением того, что они являются сильными силовыми полями.»

Поля действуют на таких крошечных расстояниях, что их величина за пределами ядра ничтожно мала, но внутри ядра они очень сильны.

В модели Клоэта эти силовые поля, которые он называет «средними полями» (для общей силы, которую они несут), фактически деформируют внутреннюю структуру протонов, нейтронов и пионов (тип частицы, несущей силу).

«Точно так же, как если бы вы взяли атом и поместили его в сильное магнитное поле, вы изменили бы внутреннюю структуру этого атома», — сказал Клоэт.

Другими словами, теоретики среднего поля считают, что в запечатанной комнате, которую описал Хен, есть дыры в ее стенах, и ветер дует через них, чтобы выбить кварки, растягивая их.

Клоэт признал, что возможно, что короткодействующие корреляции, вероятно, объясняют некоторую часть эффекта ЕМС, и Хен говорит, что средние поля, вероятно, тоже играют определенную роль. Вопрос в том, что доминирует.

Геральд Миллер, который также много работал с Клоэтом, сказал, что среднее поле имеет то преимущество, что оно более хорошо обосновано в теории. Но Клоэт еще не сделал всех необходимых расчетов, сказал он.

И прямо сейчас вес экспериментальных данных говорит о том, что у Хена есть лучший аргумент.

Оба исследователя сказали, что результаты экспериментов в ближайшие несколько лет могут решить этот вопрос. Хен процитировал эксперимент, проводимый в Национальном ускорительном центре им. Джефферсона в Вирджинии, который шаг за шагом будет сближать нуклоны и позволит ученым наблюдать за их изменениями.

Ян Клоэт говорит, что хочет увидеть «эксперимент с поляризованной ЕМС», который разрушит эффект, основанный на спине (квантовой характеристике) вовлеченных протонов. Это может раскрыть невидимые детали эффекта, который мог бы помочь расчетам.

Все три исследователя подчеркнули, что дискуссия дружеская.

«Это здорово, потому что это означает, что мы все еще делаем успехи», — сказал Миллер. «В конце концов, что-то из этого будет в учебниках, когда игра закончится. … Тот факт, что у нас есть две конкурирующие идеи, означает, что она захватывающая и яркая. И теперь, наконец, у нас есть экспериментальные инструменты для решения этих проблем.»

Источник: Live Science.