В эксперименте, проведенном на Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона при Министерстве энергетики США, физики-ядерщики применили изобретательность, и результат позволил получить новую информацию о поведении протонов и нейтронов внутри атомного ядра. В частности, исследование выявило еще одно условие, определяющее, как соединяются протоны и нейтроны.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Исследование связано с изучением короткодействующих корреляций. Это явление описывает процесс, при котором протон и нейтрон, или два протона, или два нейтрона объединяются в пару внутри ядра.
Исследования короткодействующих корреляций помогли объяснить, почему в ядре есть протоны и нейтроны с высоким импульсом (быстро движущиеся), некоторые подробности о том, как формируются такие корреляции..
Чтобы продолжить разгадывать структуру ядра, физикам нужна была более подробная информация о том, как выбираются партнеры протонами и нейтронами. В ходе экспериментов они сравнивали обычные ядра и то, как меняются их состояния по мере увеличения количества протонов и нейтронов.
Как проводился эксперимент.
В ходе этого эксперимента электроны с энергией 10,5 ГэВ (миллиард электронвольт) направлялись на мишени, состоящие из кальция-40, кальция-48, железа-54 и золота-197, а также ряда более лёгких элементов, включая бериллий-9, бор-10, бор-11 и углерод-12. Электроны, испускаемые мишенью, регистрировались в сверхвысоком импульсном спектрометре.
Протоны SRC, выбитые из мишени, были собраны и измерены с помощью спектрометра высоких импульсов. Весь эксперимент, включая сбор данных о дополнительных ядрах, не включенных в этот первый анализ, занял всего восемь дней.
Результат был получен всего за четыре дня работы на одной из четырех конечных станций ускорителя непрерывного электронного пучка.
Ученые знали о результатах предыдущго эксперимента SRC, которые показали, что чем больше в ядрах нейтронов, тем больше парных протонов. Но, по словам Ор Хена, профессора физики из Массачусетского технологического института, информации было недостаточно, чтобы определить, какая именно переменная влияет на это явление.
Чтобы лучше контролировать обе переменные, группа из 30 физиков, работавших над этим экспериментом сравнила поведение короткоживущих радиоактивных частиц в “магических” и “двойно магических” ядрах. Железо-54 (Fe) — магическое ядро с заполненной внешней нейтронной оболочкой. Кальций-40 и кальций-48 (Ca) — дважды магические ядра. Эксперимент CaFe назван в честь этих двух элементов.
“Мы изменили ядра как с точки зрения их массы, так и с точки зрения соотношения протонов и нейтронов”, — сказал Хен.
Согласно теории строения ядра, которой придерживались эти учёные, протоны и нейтроны располагаются на дискретных энергетических уровнях, подобно энергетическим уровням электронов в атоме. Каждый уровень называется оболочкой, и доступ к более высоким оболочкам открывается только после заполнения всех нижних.
У кальция-48 (20 протонов, 28 нейтронов) на восемь нейтронов больше, чем у кальция-40 (20 протонов, 20 нейтронов). По словам Ларри Вайнштейна, профессора физики и ученого из Университета Олд-Доминион, сравнение этих двух ядер было первым шагом в процессе анализа. Сравнение этих двух ядер эквивалентно добавлению к ядру всего восьми нейтронов.
“Мы обнаружили, что при добавлении этих восьми дополнительных нейтронов мало что меняется”, — сказал Вайнштейн.
Затем они перешли к следующему этапу анализа и посмотрели что будет при доминировании протонов. Сравнили кальций-48 (20 протонов, 28 нейтронов) с железом-54 (26 протонов, 28 нейтронов). Это сравнение эквивалентно добавлению к ядру шести протонов.
“Если просто подсчитать количество протонов, то можно было бы ожидать на 30 % больше SRC, потому что протонов на 30 % больше. Но вместо этого мы получили 50 %. И это нас очень удивило”, — сказал Вайнштейн.
Когда участники экспериментальной группы проанализировали совокупный результат, они обнаружили совершенно неожиданный поворот.
«Мы открыли новые квантовые правила отбора для тех, кто может образовывать пары. Раньше об этом не было известно», — сказал Хен.
Сбором и анализом экспериментальных данных руководили Диен Нгуен (Лаборатория Джефферсона и Университет Теннесси), Карлос Йеро (Университет Олд-Доминион и Католический университет) и Холли Шумила-Вэнс (Лаборатория Джефферсона и Международный университет Флориды) при содействии аспиранта Ноа Свона (Университет Олд-Доминион) и сотрудников Лаборатории Джефферсона.
Сведения о публикации
Д. Нгуен и др., «Структура ядерной оболочки определяет короткодействующее спаривание нуклонов», Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10616-2