Физики впервые заглянули в "пустоту" между протонами и нейтронами в ядрах атомов

Результаты показали, что материя внутри нейтронных звезд не похожа на густой однородный "суп" из кварков и глюонов, а напоминает множество обособленных нейтронов

ТАСС, 26 февраля. Ученые впервые напрямую измерили так называемые "сильные" ядерные взаимодействия, которые соединяют протоны и нейтроны внутри атомов, а также субатомные частицы внутри нуклонов. Ученые считают, что эти замеры помогут раскрыть природу самых плотных скоплений материи во Вселенной. Описание их работы опубликовал научный журнал Nature.

"Мы впервые детально изучили то, как работают сильные ядерные взаимодействия на очень небольших расстояниях. Эти замеры имеют огромное значение для науки, особенно для изучения нейтронных звезд и понимания того, как устроены ядра атомов в целом", – рассказал о об исследовании один из его авторов, доцент Массачусетского технологического института (MIT) Ор Хэн.

Все элементарные частицы состоят из небольших объектов – кварков и глюонов. Протоны, нейтроны и прочие "тяжелые" частицы, барионы, содержат в себе три кварка. Их меньшие "собратья" – мезоны – состоят из двух подобных компонентов, кварка и антикварка, основной частицы антиматерии.

Кварки и антикварки связаны между собой мощнейшими силами, так называемыми сильными ядерными взаимодействиями, за перенос которых, как предполагают ученые, отвечают глюоны. В "чистом виде", то есть вне элементарных частиц, кварки и глюоны не существуют, так как для того, чтобы их "освободить" нужны огромные значения температуры и энергии, которые существовали только в момент Большого взрыва.

Эта особенность материи, которую физики называют конфайнмент кварков, пока является главным препятствием для того, чтобы изучить структуру элементарных частиц. Более того, ученые не понимают и то, как на сверхмалых расстояниях работают сами сильные ядерные взаимодействия. Дело в том, что они не могут обойти конфайнмент и создать теории, которые позволяли бы просчитать эти взаимодействия математически.

Недавно физики из MIT выяснили, что внутрь атомов и элементарных частиц можно заглянуть непрямым способом, не воссоздавая Большой взрыв. Это можно сделать, наблюдая за тем, как электроны "отскакивают" от кварков внутри свободных протонов и нейтронов. Используя эту методику, ученые измерили давление внутри протона и выяснили, что структура этих частиц крайне необычна, ее не предсказывает ни одна теория.

"Суп" из кварков и глюонов

В своей новой работе Хэн и его коллеги провели аналогичные замеры, проследив за взаимодействиями не кварков, а самих протонов и нейтронов, которые тесно взаимодействуют друг с другом внутри ядер атомов.

С помощью ускорителя CEBAF в Национальной ускорительной лаборатории имени Томаса Джефферсона (США) ученые наблюдали за тем, как электроны, разогнанные до сверхвысоких энергий, отскакивали от протонов и нейтронов. В отличие от других экспериментов, эти замеры не зависели от теоретических допущений и прочих побочных факторов, которые могут искажать результаты наблюдений.

Эти столкновения, как отмечают исследователи, приводят к двум типам последствий. Чаще всего электроны выбивают из атомов одиночные протоны или нейтроны, а в некоторых случаях ядро покидает сразу два нуклона (это общий термин для протонов и нейтронов). Соотношение одиночных и парных частиц, по словам физиков, зависит от структуры ядра и характера взаимодействий между нуклонами. Благодаря этому ученые могут напрямую измерить их силу и заглянуть в "пустоту" между нуклонами внутри атома.

Ученые проанализировали данные, которые установка CEBAF и подключенный к ней детектор CLAS собирали в ходе наблюдений за столкновениями электронов и ядер углерода, алюминия, железа и свинца.

Замеры и расчеты показали, что поведение нуклонов лучше всего описывают модели, которые предполагают, что характер взаимодействий протонов друг с другом и с нейтронами на очень малых расстояниях, где частицы отталкивают друг друга, примерно одинаков. При этом он сильно отличается для более значительных дистанций, сопоставимых с теми, на которые удалены друг от друга нуклоны в ядрах атомов.

Эти выкладки показывают, что материя нейтронных звезд не похожа на густой однородный "суп" из кварков и глюонов, как считают некоторые теоретики, а напоминает множество обособленных нейтронов, которые можно четко отделить друг от друга. Благодаря этому просчитать свойства материи этих "мертвых" светил можно будет гораздо проще и ученые смогут больше узнать об их внутреннем устройстве. Первые данные такого рода физики планируют получить уже в этом году, когда CEBAF возобновит работу, подытожил Хэн.

Источник: ТАСС