Международная команда учёных из Jefferson Lab Hall A Tritium Collaboration объявила о значительном прорыве в понимании внутренней структуры нуклонов — протонов и нейтронов, которые составляют ядра атомов. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters (PRL), открывают новые горизонты в субатомной физике.

Что такое нуклоны?

Протоны и нейтроны, известные как нуклоны, являются основными строительными блоками атомных ядер. Они состоят из трёх основных кварков (up и down), связанных глюонами — частицами, переносящими сильное взаимодействие. Однако внутри нуклонов также существуют динамические процессы: постоянно возникают и исчезают пары кварков и антикварков, что усложняет понимание распределения импульса и спина между всеми этими компонентами. До сих пор учёные не могли точно описать, как эти элементы взаимодействуют внутри нуклонов.

Эксперимент MARATHON: уникальная методика

Ключевым элементом исследования стал эксперимент MARATHON, проведённый в лаборатории Jefferson Lab. Учёные использовали редкую и сложную мишень — радиоактивный газообразный тритий (изотоп водорода с двумя нейтронами). Работа с тритием требует строгих мер безопасности из-за его радиоактивности, что делает такие эксперименты уникальными и трудновыполнимыми.

Физики обстреливали мишени из трития, гелия-3 и дейтерия пучком электронов с энергией 11 ГэВ, фиксируя их неупругое рассеяние. Для анализа применялись два современных магнитных спектрометра, установленных в зале А Jefferson Lab. Это позволило собрать данные о внутренней структуре ядер с высокой точностью.

Открытия: зеркальные ядра и EMC-эффект

Исследование принесло несколько важных результатов:

  • Учёные получили уникальные данные о структуре трития и гелия-3, так называемых «зеркальных ядер», где число протонов в одном ядре равно числу нейтронов в другом. Это позволило сравнить поведение нуклонов в разных ядерных средах.
  • Впервые был измерен EMC-эффект для трития. Это явление показывает, что структура нуклонов внутри ядра отличается от структуры свободных нуклонов, что связано с ядерными взаимодействиями. Данные об EMC-эффекте для трития — редчайший результат, который может уточнить модели ядерной физики.

Значение для науки

Полученные данные помогут усовершенствовать модели квантовой хромодинамики — теории, описывающей сильные взаимодействия между кварками и глюонами. Они также проливают свет на природу взаимодействий между нуклонами в лёгких ядрах, таких как тритий и гелий-3. По словам Макса Петратоса, одного из руководителей эксперимента, эти результаты уникальны: «Работа с тритием чрезвычайно сложна и опасна. Эти данные, вероятно, больше никогда не будут собраны, но они станут ключом к пониманию субатомной физики».

Вкратце…

Эксперимент MARATHON стал важным шагом в изучении внутренней структуры нуклонов. Уникальные данные, полученные с использованием трития, уточняют наши знания о распределении импульса и спина внутри протонов и нейтронов, а также о ядерных взаимодействиях. Эти результаты не только подтверждают теоретические модели квантовой хромодинамики, но и открывают новые возможности для исследований лёгких ядер. Учитывая сложность работы с тритием, это открытие может остаться единственным в своём роде, подчёркивая его значение для будущих теоретических и экспериментальных работ в физике.