Физики подтвердили наличие скоррелированных нейтрон-протонных пар в тяжелых изотопах

Физики подтвердили наличие короткодействующих корреляций между протонами и нейтронами в ядрах тяжелых изотопов с избыточным числом нейтронов. Такие взаимодействия приводят к образованию в ядре связанных нейтрон-протонных пар, которые при бомбардировке ядер электронами высокой энергии приводят к образованию сверхбыстрых нуклонов. Полученные данные могут оказаться полезными как для объяснения распределения кварков внутри нуклонов в ядре, так и для описания свойств нейтронных звезд, пишут ученые в Nature.

Согласно оболочечной модели атомного ядра протоны и нейтроны в нем занимают определенные энергетические уровни, по которым они двигаются независимо друг от друга, подобно электронам на электронных оболочках. При этом поле, в котором происходит движение нуклонов, образовано совокупностью сильных взаимодействий со стороны остальных нуклонов. Несмотря на то, что оболочечная модель, предложенная еще в середине XX века, смогла объяснить основные принципы формирования атомного ядра, результаты экспериментов по рассеянию электронов показали, что энергия значительной части нуклонов (до 40 процентов) не соответствует значениям, которые предсказывает эта модель.

Частично такое несовпадение удалось объяснить благодаря учету дальнодействующих корреляций между нуклонами, однако наличие быстрых нуклонов, которые выбиваются из ядер при бомбардировке их высокоэнергетическими электронами и обладают импульсом выше уровня Ферми, и эти взаимодействия тоже объяснить не могут. Считается, что такие частицы образуются при распаде короткоживущих протон-нейтронных пар. Возможность образования короткоживущих пар очень усложняет расчет энергетической структуры ядра, поэтому законы, по которым происходит их образование, до сих пор до конца не изучены. Например, не очень ясно, каким образом происходит образование подобных очень близко расположенных пар нуклонов в тяжелых изотопах элементов, где нейтронов всегда больше, чем протонов.

Чтобы исследовать эти короткодействующие корреляции (short-range correlations) между нуклонами в тяжелых ядрах, ученые из коллаборации CLAS под руководством Ора Хена (Or Hen) из Массачусетского технологического института использовали данные, полученные на детекторе элементарных частиц в лаборатории Джефферсона еще в 2004 году. В проведенном тогда эксперименте ядра тяжелых изотопов нескольких элементов (дейтерий, углерод, алюминий, железо и свинец) облучались электронами с энергией более 5 гигаэлектронвольт. С помощью набора детекторов регистрировались как рассеянные электроны, так и выбитые из ядра нейтроны и протоны.

Спектры импульса протонов и нейтронов, выбитых из ядер в этом эксперименте, состоят из двух областей: основной широкий пик при низких импульсах и небольшой «хвост» в области импульсов больше уровня Ферми. Если изначально анализировалась основная фракция относительно медленных нуклонов, которые описываются классическими моделями, то на этот раз ученые сфокусировались именно на хвосте быстрых нуклонов и их количестве в зависимости от избытка нейтронов в ядре.

Оказалось, что при увеличении массы ядра конкретного элемента (то есть при увеличении в нем числа нейтронов) заметно увеличивается количество выбитых протонов, импульс которых превышает уровня Ферми. Одновременно с этим незначительно уменьшается количество выбитых быстрых нейтронов. Обнаруженная зависимость подтверждает, что классическая оболочечная модель ядра, по которой нуклоны должны подчиняться статистике Ферми, в данном случае не работает. При этом результаты подтверждают наличие короткодействующий корреляций между протонами и нейтронами в ядре, которые присутствуют в ядре независимо от структуры его оболочек. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о значительно большей активности протонов по сравнению с нейтронами. По грубым оценкам, например, для ядра свинца-208 доля выбитых быстрых протонов свидетельствует о наличии в ядре 21 скоррелированной пары нейтрон-протон (то есть примерно 25 процентов все протонов в ядре находится в скоррелированном состоянии и около 17 процентов нейтронов).

По словам ученых, полученные результаты помогут ответить на многие из открытых вопросов, связанных с физикой атомного ядра, (например объяснить эффект EMC — несоответствие распределения кварков между нуклонами внутри атомных ядер и нуклонами в свободном состоянии). Кроме того, подтверждение короткодействующих корреляций поможет объяснить свойства объектов, в которых количество нейтронов значительно превосходит количество протонов, например нейтронных звезд, в которых нейтроны упакованы значительно плотнее друг к другу, чем в атомном ядре.

Другой подход к изучению взаимодействия между нуклонами в тяжелых изотопах — это анализ не тех элементарных частиц, которые из ядра можно выбить, а получение новых изотопов с целью обнаружения устойчивых конфигураций. Например, недавно физикам впервые удалось синтезировать изотоп кальция ⁶⁰Ca — самый тяжелый на сегодняшний день. Полученный изотоп с магическими числами протонов (20) нейтронов (40) помог подтвердить теоретические модели, существующие для границы стабильности атомных ядер.

Александр Дубов