Данные также раскрывают новые подробности о взаимодействиях на коротких расстояниях между протонами и нейтронами в ядрах и могут повлиять на результаты экспериментов, направленных на выяснение дальнейших деталей ядерной структуры. Полученные данные на порядок точнее предыдущих исследований, и исследование будет опубликовано в журнале Природа.

Шуджи Ли - ведущий автор статьи и постдокторант по ядерной физике в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США в Беркли, Калифорния. Она начала работать над экспериментом в качестве аспирантки в Университете Нью-Гэмпшира. Ли сказал, что эксперимент был разработан для сравнения мимолетных взаимодействий между протонами и нейтронами, называемых корреляциями ближнего действия, в малых ядрах.

Протоны и нейтроны в совокупности называются нуклонами. Когда нуклоны вовлечены в короткодействующие корреляции, они ненадолго накладываются друг на друга, прежде чем разлететься с большим импульсом. Корреляции могут образовываться между протоном и нейтроном, между двумя протонами или между двумя нейтронами.

В этом эксперименте сравнивалась распространенность каждого типа короткодействующей корреляции в так называемых зеркальных ядрах гелия-3 и трития, изотопа водорода. Каждое из этих ядер содержит по три нуклона. Они считаются "зеркальными ядрами", потому что содержание протонов в каждом из них отражает содержание нейтронов в другом.

"Тритий - это один протон и два нейтрона, а гелий-3 - это два протона и один нейтрон. Сравнивая тритий и гелий-3, мы можем предположить, что пары нейтрон-протон в тритии такие же, как пары нейтрон-протон в гелии-3. И тритий может образовать одну дополнительную пару нейтрон-нейтрон, а гелий-3 может образовать одну дополнительную пару протон-протон", - объяснил Ли.

Взятые вместе, данные обоих ядер показывают, как часто нуклоны объединяются в пары с другими, похожими на них самих, по сравнению с теми, которые отличаются.

"Простая идея состоит в том, чтобы просто сравнить, сколько пар у двух ядер в каждой конфигурации", - сказала она.

Исследователи ожидали увидеть результат, аналогичный предыдущим исследованиям, которые показали, что нуклоны предпочитают спариваться более чем 20 к 1 с другим типом (например, протоны соединяются с нейтронами 20 раз за каждый раз, когда они соединяются с другим протоном). Эти исследования проводились на более тяжелых ядрах с гораздо большим количеством протонов и нейтронов, доступных для спаривания, таких как углерод, железо и свинец.

"Соотношение, которое мы извлекли в этом эксперименте, составляет четыре пары нейтрон-протон на каждую пару протон-протон или нейтрон-нейтрон", - сказал Ли.

По словам Джона Аррингтона, представителя эксперимента и штатного научного сотрудника Лаборатории Беркли, этот удивительный результат дает новое представление о взаимодействиях между протонами и нейтронами в ядрах.

"Итак, в данном случае мы обнаруживаем, что вклад протон-протонного взаимодействия намного, намного больше, чем ожидалось. Так что это поднимает некоторые вопросы о том, что здесь по-другому", - сказал он.

Одна из идей заключается в том, что взаимодействие между нуклонами является движущей силой этого различия, и эти взаимодействия несколько модифицируются расстоянием между нуклонами в тритии по сравнению с гелием-3 по сравнению с очень большими ядрами.

"В нуклон-нуклонном взаимодействии есть элемент "тензора", который генерирует пары нейтрон-протон. И есть "ядро" меньшей дальности действия, которое может генерировать пары протон-протон. Когда нуклоны находятся дальше друг от друга, как в этих очень легких ядрах, вы можете получить другой баланс между этими взаимодействиями ".

Различия в средних расстояниях между потенциальными коррелированными нуклонами могут оказывать сильное влияние на то, какие частицы они выбирают для сопряжения в перекрывающейся корреляции ближнего действия. Для справки, протон измеряет ширину чуть меньше фемтометра, или Ферми. Тензорная составляющая взаимодействия на больших расстояниях доминирует, поскольку частицы перекрываются порядка половины Ферми, или примерно на половину частичного перекрытия. Основная часть взаимодействия с меньшим радиусом действия доминирует, поскольку частицы в основном перекрываются на одном уровне ферми.

Он говорит, что дальнейшие исследования на эту тему помогут проверить эту идею. Тем временем исследователи изучают, повлияет ли результат на другие измерения. Например, в экспериментах по глубокому неупругому рассеянию физики-ядерщики используют жесткие столкновения на коротких расстояниях для изучения структуры нуклонов.

"Мы повышаем точность экспериментов по ядерной структуре, и поэтому эти, казалось бы, незначительные эффекты могут стать очень важными, поскольку мы продолжаем получать высокоточные результаты в лаборатории Джефферсона", - сказал Дуглас Хигинботам, представитель эксперимента и научный сотрудник лаборатории Джефферсона. "Итак, если ядерные эффекты не только устойчивы, но и неожиданны в легких ядрах, это означает, что в ваших результатах глубокого неупругого рассеяния могут происходить неожиданные вещи".

Аррингтон согласилась.

"Мы все еще проводим новые измерения в знакомых ядрах, которые имеют отношение к ядерной структуре, и находим сюрпризы. Так что тот факт, что мы все еще находим сюрпризы на простом ядре, очень интересен", - прокомментировал Аррингтон. "Мы действительно хотим понять, откуда это берется, потому что это должно рассказать нам что-то о том, как нуклоны взаимодействуют на коротких расстояниях, которые трудно измерить где-либо, кроме лаборатории Джефферсона".

Этот эксперимент был проведен на ускорителе непрерывного электронного пучка Лаборатории Джефферсона (CEBAF), пользовательском объекте Office of Science, в экспериментальном зале A. В нем использовалась уникальная тритиевая мишень, разработанная для серии редких экспериментов, и использовалась другая тактика для сбора данных, в 10 раз более точных, чем в предыдущих экспериментах: измерение только электронов, отскочивших от коррелированного нуклона внутри зеркальных ядер.

"Благодаря изучению трития и гелия-3 мы смогли использовать инклюзивное рассеяние, и это дает нам гораздо более высокую статистику, чем другие измерения. Это очень уникальный шанс, и отличный дизайн, и много усилий от проекта tritium, чтобы получить этот результат", - добавил Ли.

Физики-ядерщики хотят дополнить этот интригующий результат дополнительными измерениями в более тяжелых ядрах. В более ранних экспериментах с этими ядрами использовались электроны высокой энергии, генерируемые в CEBAF. Электроны, отскакивающие от протонов или нейтронов, вступали в короткодействующую корреляцию, и измерялось "тройное совпадение" исходящего электрона, выбитого протона и коррелированного партнера.

Одной из задач этого типа измерения двухнуклонной корреляции на коротком расстоянии является улавливание всех трех частиц. Тем не менее, есть надежда, что будущие измерения смогут зафиксировать трехнуклонные корреляции ближнего действия для еще более детального представления о том, что происходит внутри ядра.

В ближайшей перспективе Аррингтон будет соавтором другого эксперимента, который готовится к дополнительным измерениям корреляций на коротких расстояниях в CEBAF. В ходе эксперимента будут измерены корреляции в ряде легких ядер, включая изотопы гелия, лития, бериллия и бора, а также ряд более тяжелых мишеней, которые различаются по соотношению нейтронов к протонам.