Когда протоны и нейтроны (нуклоны) связаны в атомные ядра, они находятся достаточно близко, чтобы ощущать сильное притяжение или отталкивание. Сильные взаимодействия внутри них приводят к жестким столкновениям между нуклонами.
Изучая эти энергетические столкновения в легких ядрах с помощью нового метода, физики обнаружили нечто удивительное: протоны сталкиваются со своими собратьями-протонами, а нейтроны со своими собратьями. нейтроны чаще, чем ожидалось.
В более ранних исследованиях ученые изучали энергичные двухнуклонные столкновения в небольшом количестве ядер, начиная от свинца (12 нуклонов) до углерода (12 нуклонов) (с 208). Последовательные результаты показали, что протон-нейтронные столкновения составляют более 95% всех столкновений, а протон-протонные и нейтрон-нейтронные столкновения составляют оставшиеся 5%.
В новом эксперименте физики изучали столкновения в двух «зеркальных ядрах» по три нуклона в каждом. Они обнаружили, что протон-протонные и нейтрон-нейтронные столкновения ответственны за гораздо большую долю от общего числа — примерно 20%.
Международная группа обнаружила ученых, в том числе исследователей из Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (лаборатория Беркли). Для исследования они использовали ускоритель непрерывного электронного луча в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США (лаборатория Джефферсона) в Вирджинии.
В большинстве атомных ядер нуклоны проводят около 20% своей жизни в высокоимпульсных возбужденных состояниях, возникающих в результате двухнуклонных столкновений. Изучение этих столкновений требует воздействия на ядра высокоэнергетическими электронными пучками. Затем, измерив энергию рассеянного электрона и угол отдачи, ученые сделали вывод о скорости, с которой должен был двигаться столкнувшийся с ним нуклон.
Джон Аррингтон, ученый из лаборатории Беркли, является одним из четырех представителей сотрудничества, сказал: «Это позволяет им выявлять события, в которых электрон рассеивается на протоне с большим импульсом, который недавно столкнулся с другим нуклоном».
Эти электрон-протонные столкновения имеют входящий электрон с достаточной энергией, чтобы полностью удалить возбужденное протон от ядра. Второй нуклон также покидает ядро, потому что это разрушает взаимодействие типа резиновой ленты, которое обычно удерживает возбуждающую пару нуклонов на месте.
Предыдущие исследования столкновений двух тел были сосредоточены на событиях рассеяния, когда наблюдались отскакивающий электрон и оба вылетевших нуклона. Пометив все частицы, они могли определить относительное количество протон-протонных пар и протон-нейтрон пары. Однако, поскольку эти события «тройного совпадения» чрезвычайно редки, для анализа необходимо тщательное рассмотрение любых дополнительных взаимодействий между нуклонами, которые могут повлиять на подсчет.
Зеркальные ядра повышают точность
В новом исследовании физики продемонстрировали способ установить относительное количество пар протон-протон и протон-нейтрон без обнаружения выброшенных нуклонов. Измерение рассеяния от двух «зеркальных ядер» с одинаковым числом нуклонов — трития, редкого изотопа водорода с одним протоном и двумя нейтронами, и гелий-3, который имеет два протона и один нейтрон — вот в чем фокус. Гелий-3 выглядит точно так же, как тритий с переставленными протонами и нейтронами, и эта симметрия позволила физикам отличить столкновения с участием протонов от нейтронов, сравнивая два набора данных.
Физики начали работать над зеркальными ядрами после того, как планировали разработать газовую ячейку с тритием для экспериментов по рассеянию электронов. Это первое использование этого редкого и темпераментного изотопа за последние десятилетия.
Благодаря этому эксперименту ученые собрали больше данных, чем в предыдущих экспериментах. Следовательно, они могли 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 оказались весьма неожиданными.
Аррингтон — сказал, «Его чистый гелий-3 отличается от горстки измеренных тяжелых ядер. Мы хотим настаивать на более точных измерениях других легких ядер, чтобы получить окончательный ответ».
Справочник журнала:
- Ли, С., Круз-Торрес, Р., Сантистебан, Н. и соавт. Выявление ближней структуры зеркальных ядер 3H и 3He. природа 609. С. 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
