Удивительный эффект: физики раскрыли фундаментальное свойство протонов в атомных ядрах. Соответственно, эти ядерные частицы имеют большую кинетическую энергию, чем больше избыточных нейтронов содержит атомное ядро. Поэтому в атоме свинца больше протонов с большим импульсом, чем в атоме углерода, сообщают исследователи в журнале Nature. Это открытие может быть особенно важно для внутренней работы и поведения нейтронных звезд.
Ядро состоит из плотно упакованного набора незаряженных нейтронов и положительно заряженных протонов. Удерживаемые вместе ядерной силой, они довольно неторопливо движутся вокруг друг друга по определенным квантовым орбиталям - так говорит общепринятое мнение. Но уже в 1950-х эксперименты по столкновению в ускорителях частиц показали, что существуют и «выбросы»: короткоживущие пары протона и нейтрона, которые мчатся сквозь ядро с большим импульсом.
ядра под огнем
Насколько высока доля таких высокоэнергетических протонов и нейтронов и какую роль в этом играет доля нейтронов в атомном ядре, было ясно лишь частично. Чтобы прояснить эти вопросы, физики из коллаборации CLAS во главе с Мейталом Дьюером из Тель-Авивского университета специально оценили данные о столкновениях частиц на Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона в США.
В этих экспериментах высокоэнергетический пучок электронов был направлен на ядра углерода, алюминия, железа и свинца. Изюминка: эти атомные ядра содержат все более высокую долю нейтронов, чем протонов. «Мы хотели предположить, что ядро симметрично, а затем посмотреть, что происходит, когда поступает больше нейтронов», - объясняет соавтор Ор Хен из Массачусетского технологического института.
Чем больше нейтронов, тем больше «гонщиков»
Результат: чем больше дополнительных нейтронов содержалось в ядрах атомов, тем больше в них было протонов с необычно большим импульсом. «Если бы у нас было на 50 процентов больше нейтронов в ядре, мы также получили бы на 50 процентов больше протонов с большим импульсом, чем раньше», - сообщает Хен. Временно соединяясь с нейтроном, эти высокоэнергетические протоны мчатся сквозь ядро атома.
Иными словами: «По мере увеличения количества нейтронов доля протонов с большим импульсом значительно увеличивается, в то время как доля нейтронов с большим импульсом на самом деле немного уменьшается», - утверждают исследователи.«Этот эффект удивителен, потому что, согласно классической модели ядерных оболочек, протоны и нейтроны мало связаны друг с другом и заполняют разные оболочки».
Важно также для нейтронных звезд
Новые результаты имеют важное значение для нескольких областей ядерной физики и физики элементарных частиц, как подчеркивают ученые. Среди прочего, они могли бы пролить новый свет на взаимодействие ядерных частиц друг с другом, а также с нейтрино. Эти «сверхактивные» протоны также важны для некоторых ядерных распадов.
Результаты также интересны для понимания очень особых небесных тел - нейтронных звезд. Они настолько чрезвычайно сжаты и плотны, что почти полностью состоят из нейтронов. С другой стороны, протоны и электроны составляют от пяти до десяти процентов нейтронной звезды. Но, как теперь было показано, экстремальное количество нейтронов может сделать несколько протонов в нейтронной звезде особенно «активными» - и дать им непропорционально большое влияние.
Потому что в этих условиях особенно большое количество протонов может промчаться через звезду с большим импульсом, как и в атомных ядрах. «Даже если протоны составляют меньшинство в такой звезде, это меньшинство может быть доминирующим», - говорит Хен. «Они могли бы даже определить некоторые свойства нейтронных звезд.» А они, в свою очередь, могут сыграть решающую роль в столкновении нейтронных звезд и, таким образом, одной из самых важных фабрик элементов в нашем космосе, по мнению исследователей.