Мимолетные взаимодействия в парах протон – нейтрон в ядрах атомов влияют на их внутреннюю кварковую структуру и свойства самих ядер.

Международный коллектив учёных (коллаборация CLAS), в который входят российские физики из НИИЯФ МГУ и ИТЭФ, провёл в лаборатории Томаса Джефферсона (JLAB, США) новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра. Исследователи наблюдали прямое выбивание электронами из ядер протонов и нейтронов (нуклонов), а также определяли импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре.

Эксперимент показал, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Короткодействующие корреляции — это мимолетные связи, образованные между протонами и нейтронами внутри ядра. Когда между протоном и нейтроном возникает корреляция, их внутренние кварк-глюонные структуры перекрываются. После очень кратковременного взаимодействия частицы разойдутся, но это оказывает влияние на их поведение внутри ядра. Это означает, что в основном внутренняя структура нуклонов в ядре атома совпадает со структурой свободных нуклонов, но у частиц, образующих пары, она изменяется. Такой результат не укладывается в традиционные представления оболочечной модели ядра и, возможно, позволит объяснить так называемый EMC эффект, уже несколько десятилетий остающийся одним из самых исследуемых вопросов в физике атомного ядра. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов (нуклонов), участвующих в ядерном взаимодействии. Первоначально предполагалось, что свойства протонов и нейтронов в ядре совпадают со свойствами этих частиц в свободном состоянии. Однако исследования последних десятилетий в области ядерной физики опровергают эти взгляды. Об этом говорит хотя бы тот факт, что свободный нейтрон — частица нестабильная. Время его жизни вне атомного ядра составляет лишь около 880 секунд, чуть меньше четверти часа. В атоме же он стабилен.

В результате этих и других экспериментов было показано, что при описании свойств атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру протонов и нейтронов. С появлением мощных ускорителей было доказано, что протоны и нейтроны не являются простейшими частицами, а состоят из кварков двух типов u и d. Эти кварки имеют примерно одинаковые массы, но различаются величинами электрического заряда. Заряд u-кварка равен +2/3 элементарного заряда (заряда протона, е), а заряд d-кварка равен ‒1/3e. Кварки внутри протонов и нейтронов связываются между собой частицами переносчиками сильного взаимодействия глюонами.

Для детального изучения структуры атомных ядер в лаборатории Томаса Джефферсона (JLAB) была организована коллаборация CLAS, в которую входит 43 организации из 9 стран мира. От России в коллаборации участвуют физики НИИЯФ МГУ и ИТЭФ. В экспериментах, выполненных в JLAB, для изучения внутренней структуры протона и нейтрона использовалось рассеяние ускоренных до 5 ГэВ электронов на протонах и нейтронах, входящих в состав ядер углерода, алюминия, железа, свинца и дейтерия. При этом ядра атомов «обстреливаются» электронами и изучается их отклонение.

При низких энергиях электронов они взаимодействуют с ядрами упруго, и исследователи «видят» ядро, состоящим из отдельных нуклонов. При больших энергиях электроны уже проникают вовнутрь нуклонов и становятся «видны» кварки. Такой процесс получил название глубоко-неупругого рассеяния. «Неупругость» означает, что цель поглощает некоторое количество энергии. При достаточно большой энергии цель разрушится и возникнут новые частицы.

Протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура. Различие в поведении нуклонов в ядре и свободном состоянии физики связывают с изменениями в их внутренней структуре из-за взаимодействия. Понимание того, как кварк-глюонная структура нуклона, связанного в атомном ядре, модифицируется окружающими нуклонами, является важной проблемой ядерной физики

Доказательство существования такой модификации, известной как ЕМС–эффект, впервые было обнаружено более 35 лет назад, и до сих пор нет общепринятого объяснения его причины. ЕМС–эффект назван по имени открывшей его Европейской мюонной коллаборации (ЦЕРН). Проводя исследование ядер железа и дейтерия, исследователи обнаружили, что глубоко-неупругое рассеяние мюонов на нуклонах, входящих, в ядро, отличается от рассеяния на свободных нуклонах. Позднее выяснилось, что эффект зависит от числа нуклонов в ядре. Это и указывало на модификацию кварк-глюонной структуры нуклонов внутри ядер.

В настоящее время существуют две основные модели, которые описывают этот эффект. Одна модель заключается в том, что структура всех протонов и нейтронов в ядре модифицируются одинаково. Другая модель, которую подтверждает данное исследование, говорит, что большая часть протонов и нейтронов ведёт себя так, как будто они свободны, в то время как остальные участвуют в короткодействующих корреляциях и сильно модифицируются. При этом вероятность образования «однополых» пар протон-протон и нейтрон-нейтрон значительно ниже, чем протон-нейтрон.

Любопытно также, что пары ведут себя одинаково, независимо от того, находятся ли они в ядре свинца или в углерода. Это говорит об едином механизме процесса. Исследователи полагают, что примерно 20 процентов нуклонов находятся в коррелированных парах, оказывающих огромное влияние на появление ЕМС-эффекта. Из других гипотез, не получивших широкого признания, отметим объяснение эффекта увеличение массы или радиуса нуклонов.

Авторы работы полагают, что когда структуры протонов и нейтронов внутри ядра перекрываются и происходит то, что называют корреляцией, кварки начинают двигаться медленнее, чем в свободном протоне или нейтроне. Причём в более тяжелых ядрах с гораздо большим количеством нейтронов, чем протонов, каждый протон с большей вероятностью, чем каждый нейтрон, принадлежит к коррелирующей паре и, следовательно, имеет искаженную структуру кварков.

Физики уже начали работу над следующим шагом в подтверждении этой новой гипотезы, которая заключается в измерении кварковой структуры протонов дейтерия, участвующих в короткодействующих корреляциях, и сравнении ее с некоррелированными протонами.

Примечание.
В оболочечной модели ядра протоны и нейтроны находятся в определённых квантовых состояниях и образуют оболочки в соответствии принципом Паули, аналогично тому, как устроена электронная оболочка атома. Модель достаточно неожиданная, но позволяющая понять некоторые закономерности в структуре ядер. Например, заполненная нуклонная оболочка повышает стабильность ядра.