Ученые из МГУ выяснили, почему протоны "худеют" внутри атомов

МОСКВА, 21 фев – РИА Новости. Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном виде. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.

«

"Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о его внутренней области и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на его свойства", — заявил Борис Ишханов, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ.

Достаточно долгое время, как отмечает ученый, физики предполагали, что протоны и нейтроны, а также составляющие их кварки, ведут себя одинаково как в компании других частиц внутри ядер атомов, так и в одиночном виде.

Это представление было разрушено в 1983 году, когда европейские физики начали изучать внутреннюю структуру ядер двух очень разных элементов, тяжелого водорода и железа, бомбардируя их пучками мюонов при помощи ускорителя SPS.

Существовавшие в то время теоретические и эмпирические представления о том, как распределены протоны и нейтроны в ядре атома, предсказывали, что мюоны будут абсолютно одинаково взаимодействовать с этими частицами.

Опыты в ЦЕРН показали, что это совсем не так – образно выражаясь, нуклоны в ядре железа "похудели" и начали реже сталкиваться с мюонами, чем их "коллеги" из дейтерия. Вдобавок, для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя "EMC-эффект", оказалась еще более очевидной.

Вопрос того, почему это происходит и как на самом деле устроено ядро изнутри, как отмечает пресс-служба МГУ, был предметом самых ожесточенных споров среди физиков на протяжении последних 35 лет.

Российские и зарубежные ученые смогли разрешить эту загадку, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий "выбивали" одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12, свинца и других элементов.

В отличие от БАК и других современных коллайдеров, ускоритель частиц CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это позволяет ученым периодически повторно анализировать ее и совершать новые открытия, обрабатывая при помощи более совершенных алгоритмов.

Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, Ишханов и его коллеги выяснили, что внутри них существует две условные группы протонов и нейтронов с заметно разными свойствами.

В первую из них входят "классические" частицы, ведущие себя одинаково и внутри атомов, и во "внешнем пространстве". Они доминируют внутри ядра и их число остается всегда примерно одинаковым.

EMC-эффект, в свою очередь, возникает из-за того, что некоторые протоны и нейтроны иногда "склеиваются" и превращаются в структуры, которые физики назвали SRC-парами. Они содержат в себе не три, а шесть кварков, движущихся внутри подобной "временной частицы" совсем не так, как по протонам или нейтронам.

Частота появления подобных структур, как показали участники CLAS, зависит от двух параметров – массы ядра и "избытка" нейтронов по отношению к протонам. Чем больше оба параметра, тем чаще появляются SRC-пары и тем сильнее они влияют на то, как электроны, мюоны и другие частицы взаимодействуют с кварками внутри нуклонов.

Это открытие, как надеются ученые, не только разрешило один из самых ярких научных "вечных споров", но и поможет нам раскрыть реальную структуру ядер и понять, похожи ли они на своеобразный "суп" из кварков и глюонов или плотно упакованную смесь из обособленных нейтронов и протонов.