Сила в нейтронных звездах

Большинство обычных веществ удерживаются вместе невидимым субатомным клеем, известным как сильная ядерная сила — одна из четырех фундаментальных сил в природе, наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабой силой. Сильная ядерная сила отвечает за толчок между протонами и нейтронами в ядре атома, который удерживает атом от разрушения.

В атомных ядрах большинство протонов и нейтронов достаточно далеко друг от друга, чтобы физики могли точно предсказать их взаимодействия. Тем не менее, эти прогнозы ставятся под сомнение, когда субатомные частицы находятся настолько близко, что практически находятся друг над другом.

Хотя такие сверхкороткие взаимодействия редки в большинстве веществ на Земле, они определяют ядра нейтронных звезд и других чрезвычайно плотных астрофизических объектов. С тех пор, как ученые впервые начали изучать ядерную физику, они изо всех сил пытались объяснить, как сильная ядерная сила действует на таких сверхкоротких расстояниях.

Теперь физики в Массачусетском технологическом институте и в других местах впервые охарактеризовали сильную ядерную силу и взаимодействия между протонами и нейтронами на чрезвычайно коротких расстояниях.

Они провели обширный анализ данных о предыдущих экспериментах на ускорителе частиц и обнаружили, что, когда расстояние между протонами и нейтронами становится короче, в их взаимодействиях происходит неожиданный переход. Там, где на больших расстояниях сильная ядерная сила действует главным образом для привлечения протона к нейтрону, на очень коротких расстояниях сила становится по существу неразборчивой: взаимодействия могут происходить не только для привлечения протона к нейтрону, но также для отталкивания или отталкивания кроме пар нейтронов.

«Это первый очень подробный взгляд на то, что происходит с сильными ядерными силами на очень коротких расстояниях», — говорит Ор Хен, доцент физики в Массачусетском технологическом институте. «Это имеет огромное значение, в первую очередь для нейтронных звезд, а также для понимания ядерных систем в целом».

Хен и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Nature . Среди его соавторов — первый автор, доктор философии ’16, Аксель Шмидт, бывший аспирант и аспирант, а также аспирант Джексон Пибус, студент бакалавриата Адин Хрнич и другие коллеги из Массачусетского технологического института, Еврейского университета, Тель-Авивского университета, Старого университета Доминиона, и члены CLAS Collaboration, многопрофильной группы ученых, связанных с CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), ускорителем частиц в Лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния.

Снимок звездной капли

Сверхкороткие взаимодействия между протонами и нейтронами редки в большинстве атомных ядер. Их обнаружение требует ударяющих атомов с огромным количеством электронов чрезвычайно высокой энергии, часть из которых может иметь шанс выбить пару нуклонов (протонов или нейтронов), движущихся с высоким импульсом — признак того, что частицы должны взаимодействовать на очень коротких расстояниях.

«Для проведения этих экспериментов вам нужны безумно сильноточные ускорители частиц», — говорит Хен. «Только недавно у нас появились детекторы, и мы достаточно хорошо понимаем процессы, чтобы выполнять такую ​​работу».

Хен и его коллеги искали взаимодействия, добывая данные, ранее собранные CLAS, детектором частиц размером с дом в Лаборатории Джефферсона; ускоритель JLab создает беспрецедентно высокоинтенсивные и высокоэнергетические пучки электронов. Детектор CLAS работал с 1988 по 2012 год, и с тех пор результаты этих экспериментов стали доступны исследователям для поиска других явлений, скрытых в данных.

В своем новом исследовании исследователи проанализировали множество данных, насчитывающих несколько квадриллионов электронов, поражающих атомные ядра в детекторе CLAS. Электронный пучок был направлен на фольгу из углерода, свинца, алюминия и железа, каждая из которых имела атомы с различным отношением протонов к нейтронам. Когда электрон сталкивается с протоном или нейтроном в атоме, энергия, с которой он рассеивается, пропорциональна энергии и импульсу соответствующего нуклона.

«Если я знаю, как сильно я пнул что-то и как быстро это получилось, я смогу восстановить первоначальный импульс того, что пнуло», — объясняет Хен.

При таком общем подходе команда просмотрела столкновения квадриллионов электронов и сумела выделить и рассчитать импульс нескольких сотен пар нуклонов с высоким импульсом. Он сравнивает эти пары с «каплями нейтронной звезды», поскольку их импульс и предполагаемое расстояние между ними похоже на чрезвычайно плотные условия в ядре нейтронной звезды.

Они рассматривали каждую изолированную пару как «снимок» и организовывали несколько сотен снимков вдоль распределения импульсов. В нижней части этого распределения они наблюдали подавление пар протон-протон, что указывает на то, что сильная ядерная сила действует главным образом для привлечения протонов к нейтронам на промежуточном высоком импульсе и на коротких расстояниях.

Далее по распределению они наблюдали переход: оказалось больше протон-протонных и, по симметрии, нейтрон-нейтронных пар, предполагая, что при более высоком импульсе или все более коротких расстояниях сильная ядерная сила действует не только на протоны и нейтроны, но также на протонах и протонах и нейтронах и нейтронах. Эта сила спаривания считается отталкивающей по своей природе, что означает, что на коротких расстояниях нейтроны взаимодействуют, сильно отталкивая друг друга.

«Эта идея отталкивающего ядра в сильных ядерных силах — это то, что существует, как эта мифическая вещь, которая существует, но мы не знаем, как туда попасть, как этот портал из другого мира», — говорит Шмидт. «И теперь у нас есть данные, где этот переход смотрит нам в лицо, и это было действительно удивительно».

Исследователи полагают, что этот переход в сильной ядерной силе может помочь лучше определить структуру нейтронной звезды. Ранее Хен обнаружил доказательства того, что во внешнем ядре нейтронных звезд нейтроны в основном соединяются с протонами благодаря сильному притяжению. С их новым исследованием исследователи нашли доказательства того, что когда частицы упакованы в гораздо более плотные конфигурации и разделены более короткими расстояниями, сильная ядерная сила создает отталкивающую силу между нейтронами, которая, в ядре нейтронной звезды, помогает удерживать звезду от коллапса в на себя.

Меньше, чем мешок кварков

Команда сделала два дополнительных открытия. Например, их наблюдения соответствуют предсказаниям удивительно простой модели, описывающей формирование короткодействующих корреляций из-за сильной ядерной силы. С другой стороны, вопреки ожиданиям, ядро ​​нейтронной звезды может быть строго описано взаимодействиями между протонами и нейтронами без необходимости явного учета более сложных взаимодействий между кварками и глюонами, которые составляют отдельные нуклоны.

Когда исследователи сравнили свои наблюдения с несколькими существующими моделями сильной ядерной силы, они обнаружили замечательное совпадение с предсказаниями из Argonne V18, модели, разработанной исследовательской группой в Аргоннской национальной лаборатории, которая рассмотрела 18 различных способов взаимодействия нуклонов, так как они разделены на все более короткие расстояния.

Это означает, что если ученые хотят рассчитать свойства нейтронной звезды, Хен говорит, что они могут использовать эту конкретную модель Argonne V18 для точной оценки сильных ядерно-силовых взаимодействий между парами нуклонов в ядре. Новые данные также могут быть использованы для сравнения альтернативных подходов к моделированию ядер нейтронных звезд.

Наиболее интересным для исследователей было то, что эта самая модель, как она написана, описывает взаимодействие нуклонов на чрезвычайно коротких расстояниях без явного учета кварков и глюонов. Физики предположили, что в чрезвычайно плотных хаотических средах, таких как ядра нейтронных звезд, взаимодействия между нейтронами должны уступать место более сложным силам между кварками и глюонами. Поскольку модель не учитывает эти более сложные взаимодействия и поскольку ее предсказания на коротких расстояниях соответствуют наблюдениям команды, Хен говорит, что вполне вероятно, что ядро ​​нейтронной звезды можно описать менее сложным образом.

«Люди предполагали, что система настолько плотная, что ее следует рассматривать как суп из кварков и глюонов», — объясняет Хен. «Но мы находим, что даже при самых высоких плотностях мы можем описать эти взаимодействия, используя протоны и нейтроны; они, похоже, сохраняют свою идентичность и не превращаются в этот мешок кварков. Поэтому ядра нейтронных звезд могут быть намного проще, чем думали люди Это огромный сюрприз. «

Это исследование было частично поддержано Управлением ядерной физики Управления науки Министерства энергетики США.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом . Оригинал написан Дженнифер Чу. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. A. Schmidt, J. R. Pybus, R. Weiss, E. P. Segarra, A. Hrnjic, A. Denniston, O. Hen, E. Piasetzky, L. B. Weinstein, N. Barnea, M. Strikman, A. Larionov, D. Higinbotham. Исследование ядра сильного ядерного взаимодействия . Природа , 2020; 578 (7796): 540 DOI: 10.1038 / s41586-020-2021-6