Физики объяснили пониженную скорость ядерного бета-распада взаимодействием между нуклонами

Физики из Германии, Канады и США объяснили, почему измерения переходов Гамова — Теллера в ядрах тяжелых элементов (то есть бета-распада) занижают значение аксиальной константы связи. Для этого ученые численно рассчитали вероятности переходов с помощью эффективной теории поля, которая учитывает взаимодействие между соседними нуклонами, и показали, что полученные значения совпадают с экспериментом. Статья опубликована в Nature Physics.

Одна из самых распространенных в природе ядерных реакций — это бета-распад, в ходе которого нейтрон превращается в протон, а затем испускает электрон и электронное антинейтрино. На более фундаментальном уровне этот процесс выглядит как переход d-кварка в u-кварк и виртуальный W-бозон, который впоследствии распадается на более легкие частицы. В бета-распаде могут участвовать как свободные, так и связанные в атомные ядра нейтроны. В зависимости от того, как ориентированы спины вылетевших после бета-распада фермионов (электрона и антинейтрино), бета-распады дополнительно разделяют на переходы типа Ферми (спины смотрят в противоположные стороны) и переходы типа Гамова — Теллера (спины смотрят в одну сторону). Бета-распад играет важную роль во вспышках сверхновых, в которых рождаются тяжелые химические элементы; с помощью бета-распада ученые датируют археологические артефакты и горные породы, а также ищут «новую физику» за пределами Стандартной модели.

Французский физик Анри Беккерель открыл бета-распад радиоактивных ядер еще в 1896 году, и с тех пор ученые довольно хорошо изучили этот процесс. К сожалению, даже в такой хорошо изученной области остаются открытые вопросы. Около пятидесяти лет назад физики обнаружили, что аксиальная константа связи (один из параметров теории электрослабых взаимодействий), измеренная по распадам тяжелых ядер за счет процессов Гамова — Теллера, примерно на 25 процентов меньше значений, полученных во всех остальных экспериментах. Чтобы объяснить это противоречие, ученые предлагали учесть корреляции между нуклонами и обмен мезонами. К сожалению, подтвердить эту гипотезу с помощью расчетов «из первых принципов» не удалось из-за высокой сложности квантовой хромодинамики. Проверить это предположение на практике ученые тоже не смогли. Таким образом, «загадка ядерного бета-распада» до сих пор оставалась неразрешенной.

Группа физиков под руководством Гота Хагена (Gaute Hagen) эту загадку с помощью численных расчетов. Вместо стандартных моделей атомного ядра, которые описывают его как набор отдельных взаимодействующих нуклонов ученые использовали эффективную теорию квантовой хромодинамики. Грубо говоря, эффективная теория учитывает основные вклады от физики высоких энергий с помощью численных коэффициентов, найденных в других экспериментах. В частности, она описывает бета-распады, в которых одновременно участвует два нуклона — например, превращение двух протонов в протон и нейтрон, нейтрона и протона в два нейтрона. Вообще говоря, исследователи использовали несколько эффективных моделей, коэффициенты которых были измерены в разных экспериментах. В рамках таких моделей ученые численно рассчитали ведущие поправки к стандартным матричным элементам Гамова — Теллера, которые описывают бета-распад различных ядер. Из-за большой сложности вычислений ученым пришлось использовать суперкомпьютер «Титан» производительностью около 27 петафлопс.

Сначала исследователи рассмотрели бета-плюс-распад ядра олова-100 до ядра индия-100. Ядро олова-100 дважды магическое, то есть его нейтроны и протоны полностью заполняют все ядерные оболочки. В этом ядре можно пренебречь тонкими эффектами, связанными с частичным заполнением оболочек, поэтому в его распаде доминируют «чистые» переходы Гамова — Теллера. Следовательно, выделить релятивистские вклады в таком распаде будет проще. В самом деле, теоретически рассчитанное «ослабление» аксиальной константы связи в бета-распаде ядра олова-100 лежало в диапазоне между 15 и 27 процентами, что отлично согласуется с экспериментом. Как и ожидалось, основной вклад в «ослабление» вносило взаимодействие между двумя нуклонами.

Затем физики численно рассчитали интенсивность процесса Гамова — Теллера в более легких ядрах. Всего исследователи рассмотрели семь ядер, число нуклонов в которых менялось от трех (тритон) до 14 (кислород-14). В расчетах ученые использовали модель, которая точнее всего совпала с экспериментом в случае ядра олова-100. Во всех семи случаях численное значение отклонялось от эксперимента менее чем на пять процентов. Таким образом, ученые заключают, что взаимодействие между нуклонами почти полностью объясняют расхождение между экспериментом и стандартной теорией переходов Гамова — Теллера.

Численные расчеты в ядерной физике требуют больших вычислительных мощностей, поэтому справиться с ними могут только современные суперкомпьютеры. В частности, для таких вычислений часто используют суперкомпьютер «Титан», принадлежащий Национальной лаборатории Ок-Ридж. Например, в ноябре 2015 года американские физики впервые рассчитали с помощью «Титана» размер нейтронной оболочки ядра кальция-40 и выяснили, что он гораздо меньше, чем считалось раньше. В марте 2017 группа χQCD впервые вычислила с помощью того же суперкомпьютера вклад глюонов в спин протона. В ноябре 2018 физики рассчитали «состав» массы протона, то есть вклады энергии покоя легких кварков, кинетической энергии кварков и глюонов, а также аномального вклада, связанного с тяжелыми кварками. А в феврале 2019 ученые численно оценили вклады кварков и глюонов в распределение давления и касательных напряжений внутри протона. Кроме того, в июне прошлого года в Национальной лаборатории Ок-Ридж заработал новый суперкомпьютер Summit мощностью около 200 петафлопс, на котором физики планируют выполнить еще более сложные расчеты.

Дмитрий Трунин