Объяснено разное поведение протонов и нейтронов в ядрах разных элементов

С точки зрения примерного школьного ученика, протон и нейтрон в ядре водорода, кислорода и урана совершенно одинаковы. Как выяснилось довольно давно (до учеников это не дошло) дело обстоит не совсем так. В 80-х годах прошлого века физики обнаружили, что частицы, составляющие ядра разных атомов, по-разному ведут себя при обстреле пучками мюонов. А теперь они смогли объяснить причины.

Вначале немного контекста. В 1983 году 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. Оказалось, что мюонные пучки рассеиваются совершенно по-разному. «Железные» нуклоны взаимодействовали с ними явно реже, чем «дейтериевые». Для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя «EMC-эффект», оказалась еще более очевидной.

Ученые смогли объяснить причины, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий «выбивали» одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12 и свинца.

Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, авторы 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.

Ознакомиться с подробностями можно в статье, опубликованной в Nature.