Фізики підтвердили наявність скорельованих нейтрон-протонних пар у важких ізотопах

Фізики підтвердили наявність короткодіючих кореляцій між протонами і нейтронами в ядрах важких ізотопів з надлишковим числом нейтронів. Такі взаємодії призводять до утворення в ядрі пов'язаних нейтрон-протонних пар, які при бомбардуванні ядер електронами високої енергії призводять до утворення надшвидких нуклонів. Отримані дані можуть виявитися корисними як для пояснення розподілу кварків всередині нуклонів в ядрі, так і для опису властивостей нейтронних зірок, пишуть вчені в.

Згідно оболонкової моделі атомного ядра протони і нейтрони в ньому займають певні енергетичні рівні, за якими вони рухаються незалежно один від одного, подібно електронам на електронних оболонках. При цьому поле, в якому відбувається рух нуклонів, утворене сукупністю сильних взаємодій з боку інших нуклонів. Незважаючи на те, що оболонкова модель, запропонована ще в середині XX століття, змогла пояснити основні принципи формування атомного ядра, результати експериментів з розсіювання електронів показали, що енергія значної частини нуклонів (до 40 відсотків) не відповідає значенням, які пророкує ця модель.

Частково такий неспівпадіння вдалося пояснити завдяки обліку далекодіючих кореляцій між нуклонами, однак наявність швидких нуклонів, які вибиваються з ядер при бомбардуванні їх високоенергетичними електронами і володіють імпульсом вище рівня Фермі, і ці взаємодії теж пояснити не можуть. Вважається, що такі частинки утворюються при розпаді короткоживучих протон-нейтронних пар. Можливість утворення короткоживучих пар дуже ускладнює розрахунок енергетичної структури ядра, тому закони, за якими відбувається їх освіта, досі до кінця не вивчені. Наприклад, не дуже ясно, яким чином відбувається утворення подібних дуже близько розташованих пар нуклонів у важких ізотопах елементів, де нейтронів завжди більше, ніж протонів.

Щоб дослідити ці короткодіючі кореляції (short-range correlations) між нуклонами у важких ядрах, вчені з колаборації CLAS під керівництвом Ора Хена (Or Hen) з Массачусетського технологічного інституту використовували дані, отримані на детекторі елементарних частинок у лабораторії Джефферсона ще 2004 року. У проведеному тоді експерименті ядра важких ізотопів декількох елементів (дейтерій, вуглець, алюміній, залізо і свинець) опромінювалися електронами з енергією понад 5 гігаелектронвольт. За допомогою набору детекторів реєструвалися як розсіяні електрони, так і вибиті з ядра нейтрони і протони.

Спектри імпульсу протонів і нейтронів, вибитих з ядер у цьому експерименті, складаються з двох областей: основний широкий пік при низьких імпульсах і невеликий «хвіст» в області імпульсів більше рівня Фермі. Якщо спочатку аналізувалася основна фракція щодо повільних нуклонів, які описуються класичними моделями, то цього разу вчені сфокусувалися саме на хвості швидких нуклонів і їх кількості в залежності від надлишку нейтронів в ядрі.

Виявилося, що при збільшенні маси ядра конкретного елемента (тобто при збільшенні в ньому числа нейтронів) помітно збільшується кількість вибитих протонів, імпульс яких перевищує рівня Фермі. Одночасно з цим незначно зменшується кількість вибитих швидких нейтронів. Виявлена залежність підтверджує, що класична оболонкова модель ядра, за якою нуклони повинні підкорятися статистиці Фермі, в даному випадку не працює. При цьому результати підтверджують наявність короткодіючий кореляцій між протонами і нейтронами в ядрі, які присутні в ядрі незалежно від структури його оболонок. Крім того, отримані результати свідчать про значно більшу активність протонів порівняно з нейтронамією. За грубими оцінками, наприклад, для ядра свинцю-208 частка вибитих швидких протонів свідчить про наявність в ядрі 21 скорельованої пари нейтрон-протон (тобто приблизно 25 відсотків все протонів в ядрі знаходиться в скорельованому стані і близько 17 відсотків нейтронів).

За словами вчених, отримані результати допоможуть відповісти на багато з відкритих питань, пов'язаних з фізикою атомного ядра, (наприклад пояснити ефект EMC - невідповідність розподілу кварків між нуклонами всередині атомних ядер і нуклонами у вільному стані). Крім того, підтвердження короткодіючих кореляцій допоможе пояснити властивості об'єктів, в яких кількість нейтронів значно перевершує кількість протонів, наприклад нейтронних зірок, в яких нейтрони упаковані значно щільніше один до одного, ніж в атомному ядрі.

Інший підхід до вивчення взаємодії між нуклонами у важких ізотопах - це аналіз не тих елементарних частинок, які з ядра можна вибити, а отримання нових ізотопів з метою виявлення стійких конфігурацій. Наприклад, нещодавно фізикам вперше вдалося синтезувати ізотоп кальцію ⁶⁰Ca - найважчий на сьогоднішній день. Отриманий ізотоп з магічними числами протонів (20) нейтронів (40) допоміг підтвердити теоретичні моделі, що існують для межі стабільності атомних ядер.