Undersøgelse identificerer en overgang i den stærke atomkraft, der belyser strukturen af ​​en neutronstjernekerne

Det meste almindelige stof holdes sammen af ​​en usynlig subatomær lim kendt som den stærke atomkraft - en af ​​de fire grundlæggende kræfter i naturen, sammen med tyngdekraften, elektromagnetisme, og den svage kraft. Den stærke atomkraft er ansvarlig for skub og træk mellem protoner og neutroner i atomets kerne, som forhindrer et atom i at falde sammen på sig selv.

I atomkerner, de fleste protoner og neutroner er langt nok fra hinanden til, at fysikere præcist kan forudsige deres interaktioner. Imidlertid, disse forudsigelser udfordres, når de subatomære partikler er så tæt på, at de praktisk talt ligger oven på hinanden.

Selvom sådanne ultrakorte interaktioner er sjældne i de fleste sager på Jorden, de definerer kernerne af neutronstjerner og andre ekstremt tætte astrofysiske objekter. Siden forskere først begyndte at udforske atomfysik, de har kæmpet for at forklare, hvordan den stærke atomkraft spiller sig ud på sådanne ultrakorte afstande.

Nu har fysikere på MIT og andre steder for første gang karakteriseret den stærke atomkraft, og samspillet mellem protoner og neutroner, på ekstremt korte afstande.

De udførte en omfattende dataanalyse af tidligere partikelacceleratorforsøg, og fandt ud af, at efterhånden som afstanden mellem protoner og neutroner bliver kortere, sker der en overraskende overgang i deres interaktioner. Hvor på store afstande, den stærke atomkraft virker primært for at tiltrække en proton til en neutron, på meget korte afstande, kraften bliver i det væsentlige vilkårlig:Interaktioner kan forekomme ikke kun for at tiltrække en proton til en neutron, men også at afvise, eller skub par neutroner fra hinanden.

"Dette er det første meget detaljerede kig på, hvad der sker med den stærke atomkraft på meget korte afstande, "siger Or Hen, adjunkt i fysiker ved MIT. "Dette har enorme konsekvenser, primært for neutronstjerner og også for forståelsen af ​​atomsystemer som helhed. "

Hen og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Natur . Hans medforfattere omfatter første forfatter Axel Schmidt Ph.D. '16, en tidligere kandidatstuderende og postdoc, sammen med kandidatstuderende Jackson Pybus, bachelorstuderende Adin Hrnjic og yderligere kolleger fra MIT, Det hebraiske universitet, Tel Aviv universitet, Old Dominion University, og medlemmer af CLAS Collaboration, en multiinstitutionel gruppe af forskere involveret i CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), en partikelaccelerator ved Jefferson Laboratory i Newport News, Virginia.

Stjernedråbsbillede

Ultra-kortdistance interaktioner mellem protoner og neutroner er sjældne i de fleste atomkerner. At opdage dem kræver pummeling atomer med et stort antal ekstremt højenergiske elektroner, hvoraf en brøkdel kan have en chance for at smide et par nukleoner (protoner eller neutroner) ud, der bevæger sig i høj fart - en indikation på, at partiklerne skal interagere på ekstremt korte afstande.

"For at lave disse eksperimenter, du har brug for sindssygt højaktuelle partikelacceleratorer, "Hen siger." Det er først for nylig, hvor vi har detektorkapaciteten, og forstår processerne godt nok til at udføre denne type arbejde. "

Hen og hans kolleger ledte efter interaktionerne ved minedata, der tidligere var indsamlet af CLAS, en partikeldetektor i husstørrelse på Jefferson Laboratory; JLab-acceleratoren producerer hidtil uset højintensitets- og højenergistråler af elektroner. CLAS -detektoren var i drift fra 1988 til 2012, og resultaterne af disse eksperimenter har siden været tilgængelige for forskere til at kigge efter andre fænomener begravet i dataene.

I deres nye undersøgelse, forskerne analyserede en række data, beløb til nogle kvadrillion elektroner, der rammer atomkerner i CLAS -detektoren. Elektronstrålen var rettet mod folier fremstillet af kulstof, at føre, aluminium, og jern, hver med atomer med varierende forhold mellem protoner og neutroner. Når en elektron kolliderer med en proton eller neutron i et atom, energien, hvormed den spredes væk, er proportional med energien og momentumet i det tilsvarende nucleon.

"Hvis jeg ved, hvor hårdt jeg sparkede til noget, og hvor hurtigt det kom ud, Jeg kan rekonstruere det indledende momentum i den ting, der blev sparket, "Forklarer Hen.

Med denne generelle tilgang, holdet kiggede igennem quadrillion elektronkollisionerne og formåede at isolere og beregne momentum for flere hundrede par high-momentum nukleoner. Hen sammenligner disse par med "neutronstjernedråber, "som deres momentum, og deres udledte afstand mellem hinanden, ligner de ekstremt tætte forhold i kernen af ​​en neutronstjerne.

De behandlede hvert isolerede par som et "øjebliksbillede" og organiserede de flere hundrede øjebliksbilleder langs en momentumfordeling. I den lave ende af denne distribution, de observerede en undertrykkelse af proton-proton-par, hvilket indikerer, at den stærke atomkraft hovedsagelig virker for at tiltrække protoner til neutroner i mellemhøj momentum, og korte afstande.

Længere hen ad fordelingen, de observerede en overgang:Der syntes at være mere proton-proton og, ved symmetri, neutron-neutron par, foreslår, at ved højere momentum, eller stadig mere korte afstande, den stærke atomkraft virker ikke kun på protoner og neutroner, men også på protoner og protoner og neutroner og neutroner. Denne parringskraft forstås at være frastødende i naturen, hvilket betyder, at på korte afstande, neutroner interagerer ved kraftigt at afvise hinanden.

"Denne idé om en frastødende kerne i den stærke atomkraft er noget, der kastes rundt som denne mytiske ting, der eksisterer, men vi ved ikke, hvordan vi kommer dertil, som denne portal fra et andet rige, "Schmidt siger." Og nu har vi data, hvor denne overgang stirrer os i ansigtet, og det var virkelig overraskende. "

Forskerne mener, at denne overgang i den stærke atomkraft kan bidrage til bedre at definere strukturen af ​​en neutronstjerne. Hen fandt tidligere tegn på, at i den ydre kerne af neutronstjerner, neutroner parrer sig for det meste med protoner gennem den stærke attraktion. Med deres nye studie, forskerne har fundet tegn på, at når partikler pakkes i meget tættere konfigurationer og adskilles af kortere afstande, den stærke atomkraft skaber en frastødende kraft mellem neutroner, der, i en neutronstjernes kerne, hjælper med at forhindre stjernen i at falde sammen på sig selv.

Mindre end en pose kvarker

Holdet gjorde to yderligere opdagelser. For en, deres observationer matcher forudsigelserne om en overraskende enkel model, der beskriver dannelsen af ​​kortvarige korrelationer på grund af den stærke atomkraft. For en anden, mod forventninger, kernen i en neutronstjerne kan beskrives strengt ved samspillet mellem protoner og neutroner, uden eksplicit at skulle redegøre for mere komplekse interaktioner mellem kvarkerne og gluonerne, der udgør de enkelte nukleoner.

Da forskerne sammenlignede deres observationer med flere eksisterende modeller af den stærke atomkraft, de fandt en bemærkelsesværdig match med forudsigelser fra Argonne V18, en model udviklet af en forskningsgruppe ved Argonne National Laboratory, der betragtede 18 forskellige måder, nukleoner kan interagere på, da de adskilles af kortere og kortere afstande.

Det betyder, at hvis forskere vil beregne egenskaber ved en neutronstjerne, Hen siger, at de kan bruge denne særlige Argonne V18 -model til nøjagtigt at estimere de stærke atomkraftinteraktioner mellem par af nukleoner i kernen. De nye data kan også bruges til at sammenligne alternative metoder til modellering af kernerne i neutronstjerner.

Hvad forskerne fandt mest spændende var, at den samme model, som det er skrevet, beskriver interaktionen mellem nukleoner på ekstremt korte afstande, uden udtrykkeligt at tage hensyn til kvarker og gluoner. Fysikere havde antaget, at i ekstremt tæt, kaotiske miljøer såsom neutronstjernekerner interaktioner mellem neutroner bør vige for de mere komplekse kræfter mellem kvarker og gluoner. Fordi modellen ikke tager højde for disse mere komplekse interaktioner, og fordi dets forudsigelser på korte afstande matcher holdets observationer, Hen siger, at det er sandsynligt, at en neutronstjernes kerne kan beskrives på en mindre kompliceret måde.

"Folk antog, at systemet er så tæt, at det skal betragtes som en suppe af kvarker og gluoner, "Hen forklarer." Men vi finder selv ved de højeste tætheder, vi kan beskrive disse interaktioner ved hjælp af protoner og neutroner; de ser ud til at beholde deres identitet og bliver ikke til denne pose kvarker. Så neutronstjernernes kerner kunne være meget enklere end folk troede. Det er en kæmpe overraskelse. "