Эксперимент по рассеянию электронов перевернул представления о партнерстве протонов и нейтронов

Короткоживущие пары протон–нейтрон в атомных ядрах образуются не хаотично, а подчиняются строгим правилам ядерных оболочек. Это показало новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters. Ученые из Университета штата Мичиган и Университета Осло проанализировали данные эксперимента по рассеянию электронов на ядрах углерода, алюминия, железа и свинца и пришли к неожиданному выводу: вероятность образования таких пар резко возрастает, когда нуклоны находятся на одной и той же ядерной оболочке. Открытие меняет фундаментальные представления о ядерных взаимодействиях и открывает путь к более точным моделям ядра.

Неожиданное открытие в мире ядерных сил

Короткоживущие корреляции (SRC) — это пары нуклонов, которые на мгновение сближаются на расстояние менее одного ферми (10⁻¹⁵ м), после чего расходятся. Ранее считалось, что такие пары образуются преимущественно между протоном и нейтроном, причем вероятность не зависит от их положения в ядре. Однако новое исследование показало, что протон–нейтронные пары почти в 90% случаев возникают, когда оба нуклона занимают одну и ту же ядерную оболочку. Это открытие меняет понимание того, как нуклоны взаимодействуют внутри ядра.

В эксперименте использовались электроны с энергией до 5 гигаэлектронвольт, которые рассеивались на ядрах-мишенях. Измеряя импульсы выбитых нуклонов, физики смогли определить, из каких оболочек они происходят. Оказалось, что пары протон–нейтрон образуются в основном из оболочек с одинаковыми квантовыми числами — например, из подоболочек 1p3/2 или 1d5/2. Это противоречит модели, где пары возникают случайно.

Предыстория и контекст

Ядерные оболочки — аналог электронных оболочек в атомах, но для нуклонов. Они определяют стабильность и свойства ядер. До сих пор считалось, что короткоживущие корреляции не зависят от оболочечной структуры, так как они связаны с сильным взаимодействием на малых расстояниях. Однако предыдущие эксперименты не обладали достаточной точностью, чтобы разделить вклад разных оболочек. Новые данные с электронным пучком высокого разрешения позволили впервые увидеть эту закономерность.

Как проходил эксперимент?

Исследователи использовали установку в лаборатории Jefferson Lab (США), где электроны ускорялись до высоких энергий и направлялись на тонкие фольги из углерода, алюминия, железа и свинца. Детекторы регистрировали рассеянные электроны и выбитые нуклоны одновременно, что позволило восстановить их начальные импульсы. Сравнивая данные с теоретическими расчетами, ученые определили, из каких оболочек происходят протон–нейтронные пары. Результат оказался устойчивым для всех четырех ядер.

Почему это важно для понимания структуры ядра?

Ключевой результат — вероятность образования протон–нейтронной пары в одной оболочке в 10–15 раз выше, чем между нуклонами из разных оболочек. Это означает, что сильное взаимодействие на малых расстояниях не является изотропным, а зависит от квантового состояния нуклонов. Физики предполагают, что это связано с перекрытием волновых функций: нуклоны на одной оболочке имеют схожие пространственные распределения, что увеличивает вероятность их сближения.

Для сравнения: протон–протонные и нейтрон–нейтронные пары также образуются, но реже, и их зависимость от оболочек выражена слабее. Новые данные помогут уточнить модели ядерных сил, особенно в области короткодействующих корреляций, которые важны для понимания свойств нейтронных звезд и процессов в ядерных реакторах.

Технические детали: как ядерные оболочки влияют на корреляции

Исследователи использовали метод совпадений, чтобы выделить события, в которых электрон выбивает два нуклона из ядра. Анализируя их импульсы, они могли определить, из каких оболочек эти нуклоны происходят. Оказалось, что для пар протон–нейтрон вероятность того, что оба нуклона находятся на одной оболочке, значительно превышает случайное распределение. Это указывает на то, что короткоживущие корреляции не являются независимыми от оболочечной структуры.

Какие квантовые числа играют роль?

Особенно сильная корреляция наблюдалась для подоболочек с одинаковыми значениями полного углового момента j. Например, пары из подоболочки 1p3/2 (j=3/2) встречались гораздо чаще, чем пары из 1p3/2 и 1p1/2 (j=1/2). Это говорит о том, что спин-орбитальное взаимодействие также влияет на образование SRC.

Кого затронет и как

Открытие имеет значение для физиков-ядерщиков, разрабатывающих теории ядерной структуры. Оно заставляет пересмотреть модели, используемые для описания ядерных реакций и свойств экзотических ядер. Кроме того, результаты важны для астрофизики: короткоживущие корреляции влияют на уравнение состояния нейтронных звезд и процессы нуклеосинтеза. Российские ученые, например из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, также занимаются подобными исследованиями и могут использовать новые данные для калибровки своих моделей.

Что будет дальше

Исследовательская группа планирует провести аналогичные эксперименты на более тяжелых ядрах, а также с более высоким разрешением, чтобы изучить влияние оболочек на другие типы корреляций. В перспективе это может привести к созданию более точной теории ядерных сил, объединяющей оболочечную модель и модель жидкой капли. Также ожидается, что новые данные будут использованы для улучшения расчетов в ядерной энергетике и медицине.

Итог

Эксперимент по рассеянию электронов показал, что короткоживущие протон–нейтронные пары в ядрах подчиняются оболочечной структуре, а не случайны. Это открытие меняет фундаментальные представления о ядерных взаимодействиях и открывает путь к более точным моделям ядра. Следите за развитием темы — в ближайшие годы нас ждут новые уточняющие эксперименты и теоретические прорывы.