Още една крачка към тайната на нуклоните

Силите, действащи в атомните ядра, предизвикват изключителен интерес сред физиците. Нови експерименти в областта на междинната енергия ще позволят да се направи още една крачка към разбирането на свойствата на силното взаимодействие.

За да разберат природата на силното взаимодействие в детайли, изследователите провеждат сложни експерименти, например привеждат протона във „възбудено” състояние. Такива „възбудени протони” се наричат нуклонни резонанси. Нуклон е общото название за частиците, от които се състои атомното ядро, тоест за протона и неутрона.

Нуклонните резонанси може да се изучават само по реакцията на техния разпад, тоест като се „улавят” частиците, които се образуват при този разпад. Обикновено нуклонните резонанси се разпадат на нуклон и няколко положителни и отрицателни пи-мезони. Самите резонанси възникват в резултат на сблъсъци, получени в ускорител на частици с протонна мишена. Основната сложност на такива изследвания е в това, че възникват едновременно няколко резонанса, които си „пречат” един на друг.

Наскоро група физици от Научноизследователския институт за ядрена физика на Московския държавен университет, работещи в колаборацията CLAS на Лабораторията „Джеферсън” (САЩ), за първи път получили детайлна информация за реакцията на раждането на мезоните в резултат на разпада на нуклонни резонанси в областта на междинната енергия. В експеримента лъчи електрони с енергия до 6 гигаелектронволта, фокусирани до дебелина на човешки косъм (0,1 мм), били насочвани към мишена от течен водород.

Инсталацията в лабораторията „Джеферсън” включва ускорителя CEBAF и детектора CLAS. Ускорителят създава непрекъснат лъч електрони и фотони с рекордни за такива системи величини енергия, ток и параметри на поляризацията на лъча. Непрекъснатият лъч електрони и фотони прави възможно регистрирането в крайно състояние едновременно на няколко частици, до шест. Детекторът CLAS е способен във всяко събитие да определя всички типове образуващи се частици. Средно той обработва около 2000 събития в секунда.

Експериментът с нуклонни резонанси е важна част от изучаването на силното взаимодействие, отговарящо за съществуването на адрони. „Ние провеждаме експеримента, за да разберем как е устроено силното взаимодействие при прехода от високи енергии към ниски”, разказва Евгений Исупов, един от изследователите, кандидат на физико-математическите науки.

Важността на задачата е свързана с това, че една от основите на съвременната теория на микросвета – квантовата хромодинамика, описваща силното взаимодействие, работи добре само за големи енергии. А за ниски енергии нейните предсказания силно се разминават с експериментите. Този проблем засега не е бил решен.

Силното взаимодействие в областта на междинните енергии е предмет на особена грижа за физиците. От една страна, именно на такива енергии в микросвета се случват множество интересни явления, а от друга – квантовата хромодинамика не е много успешна в количественото описание на тези явления.

Новите данни на колаборацията CLAS по раждането на мезони в резултат на разпада на нуклонни резонанси в областта на междинната енергия позволяват да се направи още една крачка към разбирането на свойствата на силното взаимодействие.

От съпътстващите задачи може да се отбележи търсенето на така наречените missing (липсващи) състояния. Така се наричат нуклонните резонанси, чието съществуване се предсказва от кварковия модел, но те досега не са откривани в експеримента.

Освен това се смята, че силното взаимодействие на кварките, съставляващи протона, отговаря за формирането на неговата маса. Наскоро откритият Хигс бозон обяснява механизма на възникването на масата на основните частици, включително кварките. Но масата на кварките, съставляващи протона, е 60 пъти по-малка, отколкото масата на самия протон (15 мегаелектронволта от 940 мегаелектронволта). Съществуват няколко хипотези за механизма на възникване на липсващата маса, които чакат своето потвърждение.

Източник: Наука и жизнь