Ученые пытались разгадать тайну ядра гелия - и оказались ещё более запутанными, чем когда-либо.

Учёные пытались разгадать тайну ядра гелия, но запутались ещё сильнее.

1 мин


Один из простейших элементов природы вызывает большие головные боли у учёных после новых исследований, которые показывают, что протоны и нейтроны в атомах гелия не ведут себя так, как предполагает теория. Несоответствие между теоретическими предсказаниями о поведении этих частиц и их фактическими действиями может указывать на новую физику, выходящую за пределы Стандартной модели, господствующей модели, описывающей зоопарк субатомных частиц.

В исследовании, опубликованном в апреле в журнале Physical Review Letters, физики зарядили контейнер с атомами гелия электронами, чтобы перевести ядра гелия в возбуждённое состояние, в результате чего ядро временно раздулось, как грудь при вдохе. Команда экспертов обнаружила, что реакция протонов и нейтронов в ядре на электронный пучок значительно отличалась от того, что предсказывает теория, подтверждая выводы, сделанные на основе экспериментов, проведённых десятилетия назад. Новые исследования доказывают, что это несоответствие является реальным явлением, а не результатом неопределённости эксперимента. Вместо этого, похоже, учёным просто не хватает достаточно прочного понимания физики низкоэнергетических взаимодействий между частицами в ядре.

Ученые пытались разгадать тайну ядра гелия - и оказались ещё более запутанными, чем когда-либо.
Учёные не могут понять, почему силы внутри ядра атома гелия продолжают противоречить теории после десятилетий экспериментов. Изображение: Getty

Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Уравнения, описывающие поведение ядра гелия, используются для всех видов ядерной и нейтронной материи, поэтому устранение несоответствия могло бы помочь нам понять другие экзотические явления, такие как слияния нейтронных звёзд.

Несоответствие между теорией и экспериментом впервые стало очевидным в 2013 году после расчётов ядра гелия под руководством Сони Бакка (Sonia Bacca), работавшей тогда на канадском национальном ускорителе частиц TRIUMF, а ныне профессора Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце и соавтора нового исследования. Бакка и её коллеги использовали усовершенствованные методы для расчёта поведения протонов и нейтронов в ядре гелия при возбуждении пучком электронов, что дало цифры, значительно отличающиеся от экспериментальных данных. Однако экспериментальные данные, использованные для сравнения, датировались 1980-ми годами и были записаны с большими погрешностями в измерениях.

Ведущий автор нового исследования Саймон Кегель (Simon Kegel), физик-ядерщик, который изучал ядро гелия для своей докторской диссертации в Университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце, Германия, отметил, что нынешнее оборудование в его университете может выполнять эти измерения с очень высокой точностью.

«Мы подумали, что если можем сделать это немного лучше, мы должны хотя бы попытаться», — сказал он в интервью Live Science.

Лучше, но хуже

Первичное взаимодействие, удерживающее частицы в ядре вместе, называется сильным взаимодействием, но изобилие эффектов, проистекающих из нюансов этих взаимодействий, усложняет расчёты того, как эти частицы взаимодействуют. Теоретики упростили задачу, используя «эффективную теорию поля» (EFT), которая аппроксимирует множество сил, действующих на частицы, точно так же, как файл jpeg аппроксимирует все данные в несжатом файле изображения. Обновлённая версия EFT даёт лучшее приближение эффектов, которые усложняют модели сильных взаимодействий в ядре, однако, когда исследователи проанализировали цифры, они обнаружили, что теоретические предсказания отклонились от наблюдаемых явлений ещё дальше, чем при более грубых приближениях.

Чтобы проверить, какая часть несоответствия может быть связана с экспериментальной неопределенностью, Кегель и команда из Майнца использовали университетский ускоритель электронов MAMI, чтобы направить пучок электронов на контейнер с атомами гелия с электронами. В этом случае электроны перевели ядра гелия в возбуждённое состояние, описываемое как изоскалярный монополь.

«Представьте себе ядро ​​как сферу, которая меняет свой радиус, расширяется и сжимается, сохраняя сферическую симметрию», — сказала Бакка в интервью Live Science по электронной почте.

Два параметра улучшили точность измерений: плотность атомов гелия в контейнере и интенсивность пучка низкоэнергетических электронов. Оба параметра могли быть настроены на очень высокие значения на установке в университете Майнца, по словам Кегеля.

Стоит отметить, что ещё до того, как они закончили анализ данных, стало ясно, что этот новый набор данных не решит проблему. Учёные до сих пор не знают источник расхождения между теорией и экспериментом. Но Бакка предположила, что причиной могут быть «отсутствующие или плохо откалиброванные фрагменты взаимодействия».

Как только новый сверхпроводящий ускоритель с рекуперацией энергии в Майнце (MESA) будет запущен в эксплуатацию в 2024 году, он будет генерировать электронные пучки на несколько порядков большей интенсивности, чем нынешний ускоритель, хотя всё ещё при низких энергиях, необходимых для такого рода экспериментов. Это контрастирует с ускорителями, такими как Большой Адронный коллайдер, соперничающими за пучки более высоких энергий, чтобы обнаружить экзотические новые частицы на другом конце энергетического спектра. Тем не менее, более высокая интенсивность MESA позволит проводить измерения с ещё большей точностью и получить ещё более детальное представление о низкоэнергетической границе Стандартной модели.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Комментарии

- комментариев

Включить уведомления Да Спасибо, не надо