Международный коллектив учёных при участии группы физиков НИИЯФ МГУ провели в лаборатории Томаса Джефферсона (JLAB) новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра. Исследователи наблюдали прямое выбивание электронами из ядер протонов и нейтронов, а также определяли импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре.

Эксперимент показал, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Такой результат не укладывается в традиционные представления оболочечной модели ядра. Исследование опубликовано 20 февраля в престижном научном журнале Nature.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют практически одинаковую массу (m_p = 938,3 МэВ, m_n = 939,6 МэВ), но различаются величиной электрического заряда. Протон заряжен положительно Q_p = |Q_e|, а нейтрон не имеет электрического заряда. Ядерное взаимодействие не зависит от электрического заряда частицы, поэтому эти две частицы объединены одним словом ‒ нуклон. При этом обычно предполагается, что свойства протонов и нейтронов в ядре совпадают со свойствами свободных протонов.

Однако исследования последних десятилетий в области ядерной физики опровергают этот тезис. Так, свободный протон является стабильной частицей, его время жизни больше 10³³ лет. Эта величина на много порядков превосходит время существования Вселенной, и все попытки обнаружить распад протона до сих пор оказались безуспешными. Нейтрон же ‒ частица нестабильная. Время его жизни вне атомного ядра составляет лишь 880,0 ± 0,9 секунд (чуть меньше четверти часа).

Различия в свойствах протонов и нейтронов обусловлены их кварковым составом. Учитывать кварковую структуру нуклонов необходимо также и при описании свойств атомных ядер: протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.

Для более детального описания атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру нуклонов, образующих атомное ядро. Для изучения структуры атомных ядер в JLAB была организована коллаборация CLAS, в которую входит 43 организации из 9 стран мира. От России в коллаборации участвуют сотрудники НИИЯФ МГУ и ИТЭФ.

Новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра выполнен в лаборатории Томаса Джефферсона (США) при участии группы физиков НИИЯФ МГУ.

«В эксперименте наблюдалось прямое выбивание электронами из ядер не только протонов, но и нейтронов, и определялся импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Было показано, что, например, в ядре свинца, в котором число нейтронов (126) в полтора раза превышает число протонов (82), высокоимпульсных протонов и нейтронов одинаковое количество, как и в ядре углерода (6 протонов и 6 нейтронов). При этом низкоимпульсных нейтронов в ядре свинца, как и следовало ожидать, в полтора раза больше, чем протонов, а в ядре углерода их поровну, — пишет один из авторов исследования, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ, заведующий кафедрой общей ядерной физики МГУ Борис Ишханов. — Это означает, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о внутренней области ядер и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на ядерные свойства».

Существующие модели атомного ядра несовершенны

Атомное ядро ‒ это сложная связанная система протонов и нейтронов, которую невозможно описать простой формулой. Поэтому создаются модели атомных ядер, которые описывают их основные свойства. Одной из первых моделей атомного ядра была капельная модель, развитая в работах Бете и Вайцзеккера, которая успешно описала энергию связи ядра. В этой модели атомное ядро, состоящее из Z протонов и N нейтронов, уподоблялось капельке жидкости. В этой модели учитывались следующие факторы: взаимное притяжение между всеми протонами и нейтронами; кулоновское расталкивание между протонами; нахождение части нуклонов на поверхности ядра, что ослабляет их связь; одинаковое число протонов и нейтронов, образующих наиболее связанные ядра; дополнительное связывание в пары частиц одного типа ‒ протоны или нейтроны, но это уже следовало не из свойств жидкой капли, а наблюдалось в экспериментах.

Такая относительно простая модель смогла описать экспериментально измеренные энергии связи ядер с точностью в несколько процентов. Однако по мере расширения знаний об атомных ядрах оказалось, что эта модель не может адекватно описать квантовые характеристики ядер, их возбужденные состояния.

На смену капельной пришла другая модель ‒ оболочечная модель ядра. В этой модели протоны и нейтроны совместно создают квантовую потенциальную яму, в которой частицы размещаются в отдельных состояниях в соответствии принципом Паули. Появление такой модели было достаточно неожиданным, так как к этому времени было установлено, что размеры протона и нейтрона ≈ 0,8 Ферми (1 Ферми = 10^‒13 см) и они довольно плотно упакованы в ядре. Расстояние между нуклонами в ядре всего лишь в 3–4 раза превышают их размер. Непонятно, как при этом нуклоны могли двигаться по устойчивым орбитам подобно планетам вокруг Солнца. Ввиду своих недостатков, учёные рассматривают оболочечную модель как полуэмпирическую схему, позволяющую понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра.

Законы мира квантовых частиц

Квантовый мир отличается от классического, описываемого законами Ньютона и Кеплера. Квантовые частицы подчиняются другим законам. В частности, в силу неопределенности Гейзенберга они не двигаются по каким-то траекториям, а имеют определенные квантовые числа, в соответствии с которыми они создают квантовые объекты. Все объекты квантового мира можно было построить из трех элементарных частиц ‒ протона, нейтрона и электрона.

С появлением ускорителей мир частиц увеличился до нескольких сотен частиц. Стало известно, что протоны и нейтроны не являются элементарными 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|Q_e|, а заряд d-кварка равен ‒1/3|Q_e|.

Впервые были обнаружены частицы, имеющие дробный электрический заряд. До сих пор удавалось получать частицы в свободном состоянии и исследовать их свойства. Кварки никакими усилиями не удавалось выбить из протона и нейтрона. Это было связано со свойствами сил, связывающих частицы. Обычно силы взаимодействия между частицами уменьшаются при увеличении расстояния между ними. Кварки внутри протонов и нейтронов связываются глюонами. И притяжение между кварками увеличивается при увеличении расстояние между кварками. Это явление называется конфайнментом (пленение).

В экспериментах, выполненных в JLAB(США), для изучения внутренней структуры протона и нейтрона использовалось рассеяние ускоренных до нескольких ГэВ электронов на протонах и нейтронах, входящих в состав различных ядер C, Al, Fe, Pb. В результате этих экспериментов было показано, что при описании свойств атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.

Исследование коллаборации CLAS, опубликованное в Nature, расширяет представление о влиянии кварковой структуры на взаимодействие нуклонов и устройство атомного ядра.

Пресс-служба МГУ