Обнаружено, что силы, связывающие протоны и нейтроны в ядрах атомов, могут не только их притягивать, но и отталкивать

Сильное взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил в природе, наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Именно оно отвечает за притяжение между нуклонами – протонами и нейтронами в ядре атома, которое делает возможным его существование. Особенность этих сил крайне малый радиус действия 10–13 см, что на порядок меньше размера тяжёлых ядер. Так что с точки зрения этих сил большинство нуклонов даже в крошечном ядре атома расположены достаточно далеко друг от друга.

Суть ядерных сил – взаимодействие между составляющими нуклоны кварками и глюонами, которые описываются уравнениями квантовой хромодинамики. Однако, поскольку эти уравнения не могут быть решены напрямую, физики описывают ядерные взаимодействия упрощенными моделями, которые хорошо работают на типичных межнуклонных расстояниях. Однако на очень малых расстояниях возможность применения таких моделей вызывала сомнения. Поэтому попытки понять, что же происходит на сверхмалых расстояниях, никогда не прекращались. Тем более, что , хотя такие взаимодействия и редки в большинстве обычных веществ, они становятся определяющими в чрезвычайно плотных космических объектах, подобных нейтронным звёздам.
Физики коллаборации CLAS, работающие с данными, полученными ускорителем частиц Лаборатории Джефферсона (США) в многочисленных экспериментах с 1988 по 2012 год, провели их обширный анализ и впервые смогли подробно рассмотреть, что происходит с сильным взаимодействием на очень малых расстояниях. Они обнаружили, что с ним там происходит неожиданная трансформация. Если на «больших» расстояниях сильное взаимодействие обеспечивает главным образом притяжение протона и нейтрона, то на очень коротких расстояниях происходит отталкивание или раздвигание пар нейтронов. Это явление имеет огромное значение, для понимания ядерных систем в целом и нейтронных звезд в частности. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature.

Обнаружение редких нуклонов, взаимодействующих на сверхмалых расстояниях, требует ускорителей, бомбардирующих атомы огромным количеством электронов чрезвычайно высокой энергии. У некоторых из них имеется шанс попасть на пару нуклонов, движущихся с большой скоростью, что служит признаком их взаимодействия на очень малых расстояниях. После столкновения электрона с протоном или нейтроном в атоме энергия, с которой он рассеивается, пропорциональна энергии и импульсу соответствующего нуклона.

Такие беспрецедентно высокоинтенсивные и высокоэнергетические пучки электронов создавал ускоритель CEBAF. Пучками обстреливали фольгу из углерода, свинца, алюминия и железа. Эти атомы имеют различное соотношение числа протонов и нейтронов. Данные, полученные детектором CLAS позволяют определить нужные параметры. Исследователи просмотрели столкновения квадрильонов электронов и сумели выделить и рассчитать импульсы нескольких сотен пар нуклонов с необходимым высоким импульсом.

Открытое отталкивание нуклонов на сверхмалых расстояниях поможет физикам лучше понять структуру и эволюцию нейтронных звезд, где оно помогает звёздам удерживаться от гравитационного коллапса.
Исследователи также обнаружили, что вопреки ожиданиям поведение нуклонов на таких малых расстояниях может быть описано достаточно простой моделью, не учитывающей чрезвычайно сложные взаимодействия между кварками и глюонами. Ранее физики полагали, что в этом случае им придётся рассматривать не отдельные нуклоны, а «суп» из кварков и глюонов. Однако оказалось, что и в этом случае сильное взаимодействие можно описать на уровне протонов и нейтронов, которые сохраняют свою идентичность, не превращаясь в мешок с кварками. Это большой и приятный сюрприз!

Сравнив свои результаты с несколькими существующими моделями сильного взаимодействия, авторы работы обнаружили замечательное совпадение с предсказаниями одной из моделей, разработанных исследовательской группой в Аргоннской национальной лаборатории (США).

Россию в коллаборации CLAS представляют Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И Алиханова (ИТЭФ), входящий в НИЦ «Курчатовский институт», и НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцина (НИИЯФ) МГУ.
По материалам Массачусетского технологического института.