Коли протони та нейтрони (нуклони) зв’язані в атомних ядрах, вони знаходяться досить близько, щоб відчувати значне притягання або відштовхування. Сильні взаємодії всередині них призводять до жорстких зіткнень між нуклонами.
Вивчаючи ці енергетичні зіткнення в легких ядрах за допомогою нової методики, фізики виявили дещо дивовижне: протони стикаються зі своїми побратимами, а нейтрони зі своїми побратимами нейтронів частіше, ніж очікувалося.
У попередніх дослідженнях вчені досліджували енергійні двонуклонні зіткнення в невеликій кількості ядер, від свинцю (12 нуклонів) до вуглецю (12 нуклонів) (з 208). Послідовні висновки показали, що на протон-нейтронні зіткнення припадає понад 95% усіх зіткнень, а на протон-протонні та нейтрон-нейтронні зіткнення припадає решта 5%.
У новому експерименті фізики вивчали зіткнення в двох «дзеркальних ядрах» по три нуклони в кожному. Вони виявили, що протон-протонні та нейтрон-нейтронні зіткнення відповідальні за набагато більшу частку від загальної кількості – приблизно 20%.
Міжнародна група виявила вчених, у тому числі дослідників з Національна лабораторія Лоуренса Берклі Департаменту енергетики (Лабораторія Берклі). Для дослідження вони використовували прискорювач безперервного електронного пучка на Національному прискорювальному заводі імені Томаса Джефферсона (Лабораторія Джефферсона) у Вірджинії.
У більшості атомних ядер нуклони проводять близько 20% свого життя у збуджених станах з високим імпульсом, що є результатом двонуклонних зіткнень. Вивчення цих зіткнень вимагає замикання ядер пучками електронів високої енергії. Потім, вимірявши енергію розсіяного електрона та кут віддачі, вчені зробили висновок про швидкість, з якою мав рухатися нуклон, з яким він зіткнувся.
Джон Аррінгтон, науковий співробітник лабораторії Берклі, один із чотирьох представників співпраці, сказав: «Це дозволяє їм вибирати події, в яких електрон розсіювався від протона з високим імпульсом, який нещодавно зіткнувся з іншим нуклоном».
Ці електрон-протонні зіткнення мають вхідний електрон з достатньою енергією, щоб повністю видалити збуджений протон від ядра. Другий нуклон також виходить з ядра, тому що це порушує взаємодію, подібну до гумової стрічки, яка зазвичай утримує збудливу пару нуклонів на місці.
Попередні дослідження зіткнень двох тіл зосереджувались на подіях розсіювання, де спостерігалися відскокуючий електрон і обидва вигнані нуклони. Позначивши всі частинки, вони могли визначити відносну кількість протон-протонних пар і протонно-нейтронний пари. Однак, оскільки ці події «потрійного збігу» надзвичайно рідкісні, для аналізу необхідно було ретельно розглянути будь-які додаткові взаємодії між нуклонами, які можуть вплинути на кількість.
Дзеркальні ядра підвищують точність
У новому дослідженні фізики продемонстрували спосіб встановити відносну кількість протон-протонних і протон-нейтронних пар без виявлення викинутих нуклонів. Вимірювання розсіювання від двох «дзеркальних ядер» з однаковою кількістю нуклонів — тритію, рідкісного ізотопу водню з одним протоном і двома нейтронами, і гелій-3, яка має два протони й один нейтрон, — це була хитрість. Гелій-3 виглядає так само, як тритій з протонами і нейтронами, поміняними місцями, і ця симетрія дозволила фізикам відрізнити зіткнення за участю протонів і нейтронів, порівнюючи два набори даних.
Фізики почали працювати над дзеркальними ядрами після того, як планували розробити комірку з тритієм для експериментів з розсіюванням електронів. Це перше використання цього рідкісного та темпераментного ізотопу за десятиліття.
Завдяки цьому експерименту вчені зібрали більше даних, ніж у попередніх експериментах. Таким чином, вони могли підвищити точність попередніх вимірювань у десять разів.
У них не було підстав очікувати, що двонуклонні зіткнення працюватимуть інакше в тритії та гелії-3, ніж у важких ядрах, тому результати були досить несподіваними.
Аррінгтон сказав, «Його прозорий гелій-3 відрізняється від кількох виміряних важких ядер. Ми хочемо наполягати на більш точних вимірюваннях на інших легких ядрах, щоб дати остаточну відповідь».
Довідка з журналу:
- Лі, С., Крус-Торрес, Р., Сантієстебан, Н. та ін. Виявлення короткодіючої структури дзеркальних ядер 3H і 3He. природа 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
