Недооцененная ядерная сила помогает сохранять стабильность материи
Исследователи из Университета Кюсю, Япония, раскрыли, как особый тип силы внутри ядра атома, известный как трёхнуклонная сила, влияет на ядерную стабильность. Исследование, опубликованное в Physics Letters B , даёт представление о том, почему некоторые ядра более стабильны, чем другие, и может помочь объяснить астрофизические процессы, такие как образование тяжелых элементов внутри звезд.
Вся материя состоит из атомов, строительных блоков вселенной. Большая часть массы атома упакована в его крошечное ядро , которое содержит протоны и нейтроны (известные как нуклоны). Понимание того, как эти нуклоны взаимодействуют, чтобы поддерживать ядро стабильным и в низкоэнергетическом состоянии, было центральным вопросом ядерной физики на протяжении более столетия.
Самая мощная ядерная сила — это двухнуклонная сила , которая притягивает два нуклона на большом расстоянии, чтобы сблизить их, и отталкивает на небольшом расстоянии, чтобы не дать нуклонам сблизиться слишком сильно.
«Ученые хорошо понимают двухнуклонную силу и то, как она влияет на ядерную стабильность», — говорит первый автор Токуро Фукуи, доцент факультета искусств и наук Университета Кюсю. «С другой стороны, трёхнуклонная сила, которая возникает, когда три нуклона взаимодействуют друг с другом одновременно, гораздо сложнее и плохо изучена».
Фукуи описывает ядерные силы , сравнивая их с игрой в мяч. При двухнуклонной силе два игрока, или нуклоны, взаимодействуют, бросая друг другу мяч. Мяч, субатомная частица , называемая мезоном, может иметь разную массу, при этом самый лёгкий мезон, известный как пион, отвечает за дальнодействующее притяжение между нуклонами.
При трёхнуклонной силе есть три игрока, или нуклона, и мячи, или мезоны, передаются между ними. В то же время, когда бросают и ловят мячи, игроки, или нуклоны, также вращаются и движутся по орбите внутри ядра.
Хотя исторически считалось, что сила трёх нуклонов не имеет большого значения по сравнению с силой двух нуклонов, все большее число недавних исследований подчеркивает её важность. Теперь это новое исследование проясняет механизм того, как сила трёх нуклонов повышает ядерную стабильность, и демонстрирует, что по мере роста ядра сила увеличивается.
В своём исследовании Фукуи и его коллеги использовали передовую ядерную теорию и суперкомпьютерное моделирование для изучения обмена пионами между тремя нуклонами. Они обнаружили, что когда два пиона обмениваются между тремя нуклонами, нуклоны ограничены в том, как они движутся и вращаются, и возможны только четыре комбинации. Их расчеты показали, что одна из этих комбинаций, известная как «компонент ранга 1», играет решающую роль в обеспечении ядерной стабильности.
Повышение стабильности происходит, объясняет Фукуи, из-за усиления процесса, известного как спин-орбитальное расщепление. Когда нуклоны вращаются и вращаются в одном направлении, выравнивание этих нуклонов приводит к снижению энергии. Но когда нуклоны вращаются и вращаются в противоположных направлениях, эти нуклоны существуют в более высоком энергетическом состоянии. Это означает, что нуклоны «расщепляются» на различные энергетические оболочки, обеспечивая ядру стабильную структуру.
«Наше суперкомпьютерное моделирование показало, что хотя трёхнуклонная сила увеличивает энергетическое состояние нуклонов с выровненным спином и орбитой, она заставляет нуклоны с противоположными спинами и орбитами получать ещё больше энергии. Это приводит к увеличению энергетического зазора между оболочками, что делает ядра ещё более стабильными», — рассказывает Фукуи.
Важно отметить, что этот эффект становится более выраженным в более тяжелых ядрах, содержащих больше нуклонов. В самом тяжелом исследованном элементе — углероде-12, который имеет 12 нуклонов — трёхнуклонная сила привела к расширению энергетической щели в 2,5 раза.
«Этот эффект настолько велик, что его вес почти равен весу воздействия двухнуклонной силы. Мы ожидаем, что эффект будет ещё сильнее для элементов тяжелее углерода-12, которые мы планируем изучать в рамках наших следующих шагов», — говорит Фукуи.
Трёхнуклонная сила может сыграть ключевую роль в понимании того, как тяжелые элементы образуются из слияния более лёгких элементов в звездах. По мере того, как эта сила становится сильнее в более тяжелых ядрах, она увеличивает их стабильность, создавая большие энергетические зазоры между ядерными оболочками.
Эта стабильность затрудняет захват ядром дополнительных нейтронов, которые необходимы для образования более тяжелых элементов. В случаях, когда ядро уже содержит «магическое число» протонов или нейтронов, которое полностью заполняет его оболочки, ядро становится исключительно стабильным, что может ещё больше затруднить процесс синтеза.
«Знание энергетической разницы между различными ядерными оболочками является важнейшей информацией для учёных, пытающихся предсказать образование тяжелых элементов, чего они не смогут достичь без понимания трёхнуклонной силы. Для ядер с магическим числом могут потребоваться условия, которые обеспечивают колоссальное количество энергии», — говорит Фукуи.
Наконец, исследователи обнаружили ещё один удивительный эффект трёхнуклонной силы на спины нуклонов. При наличии только двухнуклонной силы спиновые состояния обоих нуклонов можно измерить по отдельности. Однако трёхнуклонная сила создает квантовую запутанность, когда два из трёх нуклонов имеют спины, которые существуют в обоих состояниях одновременно, пока не будут измерены.
«Квантовая запутанность нуклонов может происходить так же, как и с электронами, хотя большая масса нуклонов создает другие проблемы. Эти различия могут иметь последствия для будущих исследований, в том числе в таких новых технологиях, как квантовые вычисления», — заключает Фукуи.
Автор Владислав Кулач
Контакты, администрация и авторы
