Физики «обстреляли» ядра гелия, чтобы понять его природу: что из этого вышло

Гелий — самый простой элемент в периодической таблице с более чем одной частицей в ядре, но современная теория и эксперименты «ломаются» об нее. «Хайтек» рассказывает, как физики попытались решить эту загадку.

Ученые не могут понять, почему силы в ядре атома гелия все еще бросают вызов Стандартной модели даже после десятилетий экспериментов. Физики не понимают, почему протоны и нейтроны в атомах гелия ведут себя не так, как предполагает теория. Несоответствие между теоретическими предсказаниями о том, как ведут себя эти частицы, может указывать на новую физику за пределами Стандартной модели, которая описывает все субатомные частицы во Вселенной.

Что сделали ученые?

В рамках нового эксперимента физики из университета Гутенберга «бомбардировали» контейнер с атомами гелия электронами, чтобы привести ядра в возбужденное состояние, заставив их временно «вздуться» и «сдуться», как легкие человека. Физики обнаружили, что реакция протонов и нейтронов в ядре на электронный пучок очень отличается от той, которая предсказывает теория. Это подтверждает результаты эксперимента, проведенного несколько десятилетий назад.  

Новое исследование доказывает, что это несоответствие реально, а не связано с экспериментальной неопределенностью. Похоже, ученые просто недостаточно хорошо понимают физику низких энергий, которая управляет взаимодействиями между частицами в ядре.

Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Уравнения, которые описывают поведение ядра гелия, используют для всех видов ядерной и нейтронной материи. Именно поэтому, если ученые устранят эти несоответствия, они поймут такие экзотические явления, как слияния нейтронных звезд.

История вопроса

Впервые несоответствие между теорией и экспериментом стало очевидным в 2013 году, когда физики под руководством Сони Бакка пытались рассчитать поведение ядра гелия в лаборатории, с помощью теоретических расчетов и используя канадский национальный ускоритель частиц TRIUMF. Сейчас Бакка и его коллеги усовершенствовали методы вычислений, чтобы рассчитать поведение протонов и нейтронов в ядре гелия при возбуждении пучком электронов. В итоге, они получили цифры, которые очень отличаются от экспериментальных данных. Но стоит учесть, что экспериментальные данные, использованные для сравнения, получили еще в 1980-х годах и их записали с большими погрешностями измерений.

Ведущий автор нового исследования, физик Саймон Кегель, отметил, что существующие в университете Гутенберга объекты выполняют измерения с очень высокой степенью точности.

Как ученые пытались уточнить данные?

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Именно сильное взаимодействие удерживает частицы в ядре вместе. Но нюансы этих взаимодействий приводят к самым разным эффектам. Поэтому ученым сложно рассчитать, как взаимодействуют эти частицы. Теоретики упростили проблему, используя эффективную теорию поля. Этот подход в теоретической физике основан на идее приближенного описания физических явлений (вплоть до заранее выбранного минимального масштаба расстояний или максимального масштаба энергий) при помощи математического аппарата квантовой теории поля или статистической механики. Простыми словами, теория аппроксимирует множество сил, действующих на частицы, точно так же, как файл jpeg аппроксимирует все данные в несжатом файле изображения. Усовершенствованная версия теории дает лучшее приближение к эффектам, усложняющим модели сильных взаимодействий в ядре.

Но когда исследователи обработали цифры, то обнаружили — теоретические предсказания отклоняются от наблюдаемых явлений еще дальше.

Что могло пойти не так?

Чтобы проверить, какая часть несоответствия связана с экспериментальной неопределенностью, ученые использовали ускоритель электронов MAMI и выстрелили пучком электронов в контейнер с атомами гелия. Электроны переводят ядра гелия в возбужденное состояние, описываемое как изоскалярный монополь. Представьте себе ядро ​​как сферу, которая меняет радиус, расширяется и сжимается, сохраняя сферическую симметрию. В таком состоянии и пребывали ядра гелия.

Два параметра улучшили точность измерений — плотность атомов гелия в контейнере и интенсивность пучка низкоэнергетических электронов.

Еще до того, как физики закончили анализ данных, стало ясно, что новый набор данных не решит проблему несоответствия. Ученые до сих пор не поняли, почему появились несоответствия между теорией и экспериментом. Но авторы нового исследования предположили, что «причина может быть в отсутствии  откалиброванных эффектах взаимодействий или их отсутствии».

Что дальше?

Несмотря на неопределенность, физики не думают сдаваться. Как только новый Энерговосстанавливающий сверхпроводниковый ускоритель Майнца (MESA) выйдет в эксплуатацию в 2024 году, он будет производить электронные пучи на порядок большей интенсивности, чем ускоритель тока, хотя все еще при низких энергиях, необходимых для такого рода экспериментов. Тем не менее, более высокая интенсивность MESA позволит проводить более точные измерения и получить более подробное представление о низкоэнергетической границе Стандартной модели.