یک آزمایش جدید در مورد نظریه اصلی هسته شک می کند | مجله کوانتا

اندازه‌گیری جدید نیروی هسته‌ای قوی، که پروتون‌ها و نوترون‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند، نشانه‌های قبلی یک حقیقت ناراحت‌کننده را تأیید می‌کند: ما هنوز درک نظری محکمی از حتی ساده‌ترین سیستم‌های هسته‌ای نداریم.

برای آزمایش نیروی هسته ای قوی، فیزیکدانان به هسته هلیوم-4 روی آوردند که دارای دو پروتون و دو نوترون است. هنگامی که هسته های هلیوم برانگیخته می شوند، مانند یک بالون در حال باد شدن رشد می کنند تا زمانی که یکی از پروتون ها از بین برود. با کمال تعجب، در آزمایشی که اخیرا انجام شد، هسته‌های هلیوم طبق برنامه متورم نشدند: آنها بیش از حد انتظار قبل از ترکیدن به بادکش می‌رفتند. اندازه‌گیری که آن بسط را توصیف می‌کند، به نام فاکتور شکل، دو برابر بزرگ‌تر از پیش‌بینی‌های نظری است.

گفت: "تئوری باید کار کند." سونیا باکا، یک فیزیکدان نظری در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز و نویسنده مقاله ای که این اختلاف را توصیف می کند، که در چاپ شده است. Physical Review Letters به. "ما گیج شده ایم."

به گفته محققان، هسته متورم هلیوم نوعی آزمایشگاه کوچک برای آزمایش تئوری هسته‌ای است، زیرا مانند یک میکروسکوپ است - می‌تواند کمبودهای محاسبات نظری را افزایش دهد. فیزیکدانان بر این باورند که ویژگی‌های خاصی در این تورم آن را حتی به ضعیف‌ترین اجزای نیروی هسته‌ای بسیار حساس می‌کند - عواملی آنقدر کوچک که معمولاً نادیده گرفته می‌شوند. چقدر هسته متورم می شود نیز مطابقت دارد له شدن مواد هسته ای، ویژگی ای که بینش هایی را در مورد قلب مرموز ستاره های نوترونی ارائه می دهد. اما قبل از توضیح له شدن ماده در ستارگان نوترونی، فیزیکدانان ابتدا باید دریابند که چرا پیش‌بینی‌هایشان این‌قدر دور است.

بیرا ون کولکیک نظریه پرداز هسته ای در مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه، گفت که باکا و همکارانش مشکل مهمی را در فیزیک هسته ای آشکار کرده اند. او گفت، آنها نمونه‌ای را یافته‌اند که در آن بهترین درک ما از فعل و انفعالات هسته‌ای - چارچوبی که به عنوان نظریه میدان مؤثر کایرال شناخته می‌شود - کوتاهی کرده است.

ون کولک گفت: «این انتقال مشکلات [با این نظریه] را که در موقعیت‌های دیگر چندان مرتبط نیستند، تشدید می‌کند.

نیروی هسته ای قوی

نوکلئون های اتمی - پروتون ها و نوترون ها - توسط نیروی قوی کنار هم نگه داشته می شوند. اما تئوری نیروی قوی برای توضیح چگونگی چسبیدن نوکلئون ها به هم ایجاد نشد. در عوض، ابتدا برای توضیح اینکه چگونه پروتون ها و نوترون ها از ذرات بنیادی به نام کوارک ها و گلوئون ها ساخته شده اند استفاده شد.

برای سال‌ها، فیزیکدانان نمی‌دانستند که چگونه از نیروی قوی برای درک چسبندگی پروتون‌ها و نوترون‌ها استفاده کنند. یکی از مشکلات ماهیت عجیب و غریب نیروی قوی بود - با افزایش فاصله قوی تر می شود، نه اینکه به آرامی از بین برود. این ویژگی آنها را از استفاده از ترفندهای محاسباتی معمول خود باز می داشت. وقتی فیزیکدانان ذرات می‌خواهند یک سیستم خاص را درک کنند، معمولاً یک نیرو را به مشارکت‌های تقریبی قابل مدیریت‌تر تقسیم می‌کنند، آن مشارکت‌ها را از مهم‌ترین به کم‌اهمیت‌تر مرتب می‌کنند، سپس به سادگی کمک های کمتر مهم را نادیده بگیرید. با نیروی قوی، آنها نتوانستند این کار را انجام دهند.

سپس در 1990 استیون وینبرگ یافت راهی برای اتصال دنیای کوارک ها و گلوئون ها به هسته های چسبنده. ترفند این بود که از یک نظریه میدان موثر استفاده کنیم - نظریه ای که برای توصیف طبیعت در یک مقیاس (یا انرژی) خاص فقط به همان اندازه که لازم است جزئیات دارد. برای توصیف رفتار یک هسته، نیازی به دانستن کوارک ها و گلوئون ها نیست. در عوض، در این مقیاس‌ها، یک نیروی مؤثر جدید پدیدار می‌شود - نیروی هسته‌ای قوی که با تبادل پیون‌ها بین نوکلئون‌ها منتقل می‌شود.

کار واینبرگ به فیزیکدانان کمک کرد تا بفهمند چگونه نیروی هسته ای قوی از نیروی قوی پدید می آید. همچنین این امکان را برای آنها فراهم کرد تا محاسبات نظری را بر اساس روش معمول مشارکت های تقریبی انجام دهند. باکا گفت، این نظریه - نظریه مؤثر کایرال - اکنون به طور گسترده به عنوان "بهترین نظریه ای که داریم" برای محاسبه نیروهای حاکم بر رفتار هسته ها در نظر گرفته می شود.

در سال 2013، باکا از این نظریه میدان موثر برای پیش بینی میزان تورم هسته هلیوم برانگیخته استفاده کرد. اما هنگامی که او محاسبه خود را با آزمایش های انجام شده در دهه های 1970 و 1980 مقایسه کرد، متوجه یک اختلاف اساسی شد. او تورم کمتری را نسبت به مقادیر اندازه‌گیری شده پیش‌بینی کرده بود، اما نوارهای خطای آزمایشی برای او خیلی بزرگ بود که نمی‌توانست مطمئن شود.

هسته های بادکنکی

پس از اولین اشاره به یک مشکل، باکا همکارانش در ماینز را تشویق کرد که آزمایش‌های چند دهه‌ای را تکرار کنند - آنها ابزارهای تیزتری در اختیار داشتند و می‌توانستند اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری انجام دهند. آن بحث ها منجر به همکاری جدیدی شد: سایمون کگل و همکارانش کار آزمایشی را به‌روزرسانی می‌کردند، و باکا و همکارانش سعی می‌کردند همان عدم تطابق جالب را درک کنند، اگر ظاهر شود.

کگل و همکارانش در آزمایش خود، هسته ها را با پرتاب پرتوی الکترون به مخزن گاز هلیوم سرد برانگیختند. اگر یک الکترون در محدوده یکی از هسته‌های هلیوم زیپ شود، مقداری از انرژی اضافی خود را به پروتون‌ها و نوترون‌ها اهدا می‌کند و باعث باد شدن هسته می‌شود. این حالت متورم زودگذر بود - هسته به سرعت درک یکی از پروتون های خود را از دست داد و به یک هسته هیدروژن با دو نوترون به اضافه یک پروتون آزاد تجزیه شد.

مانند سایر انتقال های هسته ای، تنها مقدار خاصی از انرژی اهدایی به هسته اجازه می دهد تا متورم شود. با تغییر تکانه الکترون ها و مشاهده واکنش هلیوم، دانشمندان توانستند انبساط را اندازه گیری کنند. سپس این تیم این تغییر در گسترش هسته - فاکتور شکل - را با انواع محاسبات نظری مقایسه کرد. هیچ یک از نظریه ها با داده ها مطابقت نداشت. اما، به طرز عجیبی، محاسباتی که نزدیک‌تر شد، از یک مدل بیش از حد ساده‌شده نیروی هسته‌ای استفاده کرد - نه نظریه میدان مؤثر کایرال.

باکا گفت: «این کاملاً غیرمنتظره بود.

سایر محققان نیز به همان اندازه در ابهام هستند. "این یک آزمایش تمیز و به خوبی انجام شده است. بنابراین من به داده ها اعتماد دارم.» لورا الیزا مارکوچی، فیزیکدان دانشگاه پیزا در ایتالیا. اما، او گفت، آزمایش و نظریه با یکدیگر تناقض دارند، بنابراین یکی از آنها باید اشتباه باشد.

آوردن تعادل به نیرو

در گذشته، فیزیکدانان دلایل متعددی برای مشکوک شدن به این که این اندازه گیری ساده محدودیت های درک ما از نیروهای هسته ای را بررسی می کند، داشتند.

اولاً، این سیستم به طور خاص خطرناک است. انرژی مورد نیاز برای تولید هسته هلیوم باد شده گذرا - که محققان دولتی می‌خواهند مطالعه کنند - درست بالاتر از انرژی لازم برای بیرون راندن یک پروتون و درست زیر همان آستانه برای یک نوترون قرار دارد. که محاسبه کردن همه چیز را سخت می کند.

دلیل دوم به نظریه میدان موثر واینبرگ مربوط می شود. این کار به این دلیل بود که به فیزیکدانان اجازه می داد بخش های کمتر مهم معادلات را نادیده بگیرند. ون کولک ادعا می کند که برخی از بخش هایی که کمتر مهم تلقی می شوند و به طور معمول نادیده گرفته می شوند، در واقع بسیار مهم هستند. او گفت که میکروسکوپ ارائه شده توسط این اندازه گیری خاص هلیوم، این خطای اساسی را روشن می کند.

او افزود: "من نمی توانم خیلی انتقاد کنم زیرا این محاسبات بسیار دشوار است." "آنها بهترین کاری را که می توانند انجام می دهند."

چندین گروه، از جمله ون کولک، قصد دارند محاسبات باکا را تکرار کنند و بفهمند چه اشتباهی رخ داده است. این امکان وجود دارد که صرفاً گنجاندن عبارات بیشتر در تقریب نیروی هسته‌ای پاسخی باشد. از سوی دیگر، این احتمال نیز وجود دارد که این هسته‌های هلیوم بالونی، نقصی مهلک را در درک ما از نیروی هسته‌ای آشکار کرده باشند.

باکا گفت: «ما معما را فاش کردیم، اما متأسفانه معما را حل نکردیم. "نه هنوز."