Новости
Спектрометры коллаборации A1 на микротроне в Майнцском университете. Фото: Alexander Sell, JGU
Физики из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга показали, что теоретические модели, удовлетворительно описывающие основные состояния атомных ядер, недостаточно удовлетворительно работают для возбужденных состояний. Как пишет журнал Physics Today, для этого ученые провели высокоточные измерения рассеяния электронов на ядрах гелия, выявив резонанс, соответствующий первому возбужденному состоянию ядра гелия, и сравнив его характер с теоретическими вычислениями.
Результаты эксперимента значительно разошлись с теорией, а значит, нынешние теоретические модели ядерных взаимодействий должны быть уточнены. В частности, это может заставить ученых по-другому посмотреть на экзотическое вещество в недрах нейтронных звезд.
Физики из коллаборации А1, работающие на майнцском микротроне, направляли пучок электронов на образец гелия, находившийся в алюминиевой капсуле, и анализировали магнитными спектрометрами энергию и направление разлета рассеянных частиц. Только один электрон из 10000 возбуждал атомное ядро, остальные участвовали в упругом рассеянии на ядре или на алюминиевых стенках капсулы и не интересовали ученых. Физики тщательно вычли этот «шум», чтобы получить доступ к нужному им сигналу от возбужденных атомных ядер и оставить в своих данных только нужный им резонанс между основным и возбужденным состояниями.
- Микротрон — это разновидность ускорителя электронов. Магнитные спектрометры микротрона можно сравнить с электронным микроскопом: на данных энергиях в сравнении с ядерными масштабами электроны в пучке проявляют волновые свойства, а по свойствам рассеянных электронов можно сделать выводы о структуре изучаемых объектов.
В результате этого эксперимента было определено сечение рассеяния (величина, которая показывает, насколько сильно и в какие стороны данный объект отклоняет налетающие на него частицы) электронов на ядрах гелия. Сечение рассеяния вблизи соответствующего резонанса физики пересчитали в форм-фактор (величина, которая содержит информацию о структуре атомного ядра) перехода гелия в первое возбужденное состояние. Далее эти результаты сравнивали с теоретическими данными.
Теория, позволяющая рассчитать свойства атомного ядра, называется киральной эффективной теорией поля. Она описывает взаимодействия между нуклонами — протонами и нейтронами. С ее помощью можно предсказать свойства как основного состояния, так и возбужденного. Предсказание свойств основного состояния с помощью данной теории выполнялось с точностью до 1%.
Однако 2013 г. в своих вычислениях Соня Бакка (Sonia Bacca) из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга и ее коллеги выяснили, что в сравнении с экспериментальными измерениями 1970-х годов свойства возбужденного атомного ядра теория предсказывает плохо (в своих вычислениях Бакка и коллеги использовали нуклон-нуклонный и трехнуклонный потенциалы, которые предсказывает киральная эффективная теория). Старые измерения были очень неточными, поэтому понадобился уточняющий эксперимент.
В результате нынешних, гораздо более аккуратных измерений форм-фактора перехода возбужденных ядер гелия, проведенных Майнцской группой, было показано, что расхождение с теорией остается значительным: форм-фактор перехода оказался практически в два раза меньше теоретических ожиданий. Это показывает, что теоретическое моделирование атомного ядра киральной эффективной теорией далеко от идеального.
Результаты майнцских опытов важны не только для сравнения теории и эксперимента в «земной» ядерной физике. Киральная эффективная теория поля применима и для описания экзотического состояния вещества в недрах нейтронных звезд. Это вещество, горячее и плотное, мешает нейтронной звезде превратиться в черную дыру. Поэтому без удовлетворительной теории невозможно понять процессы, протекающие в астрономических масштабах, например, слияние нейтронных звезд.