Возбуждение ядер гелия разошлось с самыми точными расчетами в два раза

Физики из коллаборации A1, работающие на микротроне MAMI, сообщили о результатах измерения неупругого рассеяния электронов на ядрах гелия, сопровождаемого возбуждением последних. Результаты оказались в противоречии с самыми точными на сегодня расчетами, выполненными в рамках хиральной эффективной теории поля — соответствующие форм-факторы отличаются в два раза. Сами авторы называют это расхождение новой загадкой ядерных сил. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Сильное взаимодействие входит в состав четырех фундаментальных взаимодействий. Физики знают, что в нем участвуют кварки и глюоны, а также более сложные их комбинации: мезоны, барионы, тетракварки и так далее. И хотя квантовая хромодинамика способна описать элементарные акты сильного взаимодействия, она бессильна для описания более сложных конфигураций: проблемы возникают даже при предсказании свойств протонов и нейтронов.

Вместо этого ученые используют приближенные методы, которые точнее всего работают на простых системах с малым числом нуклонов, например, ядре гелия или альфа-частице. Эксперименты по определению параметров перехода ядер гелия с основного на первое возбужденное состояние, проводимые во второй половине XX века, демонстрировали видимое расхождение с предсказаниями хиральной эффективной теории поля. По техническим причинам эти эксперименты страдали от больших неопределенностей, поэтому более конкретные выводы требовали более точных измерений.

Эту задачу удалось решить только сейчас большой группе физиков из шести стран объединившихся в коллаборацию A1 вокруг микротрона MAMI, расположенного в Университете имени Иоганна Гутенберга в Майнце. Новые данные подтвердили: расхождение с теорией действительно есть, и оно существенно.

Сложности с вычислениями возникают тогда, когда передаваемый при взаимодействии импульс оказывается мал, и задача становится непертурбативной — решения нельзя разложить в ряд по малому параметру. Чтобы справится с этим, физики развивают методы решеточных вычислений, но они очень требовательный к вычислительным ресурсам и дают небольшую точность.

Другой подход, предложенный Стивеном Вайнбергом, заключается в построении так называемой хиральной эффективной теории поля. Эффективные теории часто используются в физике, чтобы решать задачи только в пределах определенного энергетического масштаба. Степени свободы, важные на более низких или более высоких масштабах, параметризуются числами. Эти параметры принципально вычислимы, но при сравнении с экспериментом они извлекаются как свободные параметры. В хиральной эффективной теории поля за такие параметры ответственна квантовая хромодинамика. Подход в рамках эффективной теории возвращает в вычисления пертурбативность, только теперь разложение происходит не по константе связи, а по количеству нуклонов, одновременно участвующих во взаимодействии.

В 2013 году появились результаты расчетов перехода 0₁⁺→0₂⁺ в ядре гелия, основанные двух и трехнуклонных потенциалах. Они включали в себя вычисление форм-фактора перехода, который позволяет сопоставить расчеты и рассеяние электронов на альфа-частицах.

Для проверки этих предсказаний физики из A1 обстреливали электронами с энергией 450, 690 и 795 мегаэлектронвольт мишень из газообразного гелия, заключенного в алюминиевую камеру при криогенных температурах. Энергию рассеянных электронов измеряли два магнитных спектрометра. В таком процессе электроны способны испытывать упругое и неупругое рассеяние на ядрах — в последнем случае происходит их возбуждение. Авторы отделяли такие сигналы друг от друга, сравнивая энергию электронов до и после рассеяния и вычисляя пропавшую массу. Для неупругих процессов она была отлична от нуля.

Большое внимание физики уделили источникам неопределенностей. Они включали себя вклады от стенок камеры, от радиационного хвоста упругого рассеяния и от континуума ядер гелия. Построенный по результатам обработки форм-фактор оказался в хорошем согласии с экспериментами прошлого столетия, но почти в два раза отличился от последний вычислений, выполненных в рамках хиральной эффективной теории поля.

Пытаясь найти причину такого сильного отклонения, авторы пришли к выводу, что дело не в самом методе, а в конкретных гамильтонианах, использованных для моделирования. Частично эту гипотезу подтверждают недавние выводы о том, что состояние 0₂⁺ ядра гелия чувствительно к параметризации трехнуклонных сил. С другой стороны, использование потенциалов — это не единственный подход к построению низкоэнергетических нуклон-нуклонных взаимодействий, и новая загадка может указывать на это.

Недавно мы рассказывали про то, как другая команда физиков рассеивала электроны на легчайших зеркальных ядрах, чтобы выяснить, как в этом случае отличается относительная частота рождения короткодействующих двухнуклонных корреляций.