Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nghiên cứu mới xác định sự chuyển đổi trong lực hạt nhân mạnh, chiếu sáng cấu trúc của lõi sao neutron.
Hầu hết các vật chất thông thường được giữ với nhau bằng một loại keo hạ nguyên tử vô hình được gọi là lực hạt nhân mạnh – một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên cùng với lực hấp dẫn, lực điện từ và lực yếu. Lực hạt nhân mạnh chịu trách nhiệm đẩy và kéo giữa các proton và neutron trong hạt nhân của nguyên tử giữ cho một nguyên tử không tự sụp đổ.
Trong hạt nhân nguyên tử, hầu hết các proton và neutron cách nhau đủ xa để các nhà vật lý có thể dự đoán chính xác các tương tác của chúng. Tuy nhiên, những dự đoán này bị thách thức khi các hạt hạ nguyên tử rất gần với nhau trên thực tế.
Mặc dù các tương tác khoảng cách ultrashort như vậy rất hiếm trong hầu hết các vật chất trên Trái đất, chúng xác định lõi của các sao neutron và các vật thể thiên văn cực kỳ dày đặc khác. Kể từ khi các nhà khoa học lần đầu tiên bắt đầu khám phá vật lý hạt nhân, họ đã phải vật lộn để giải thích làm thế nào lực hạt nhân mạnh phát ra ở khoảng cách siêu mỏng như vậy.
Bây giờ, các nhà vật lý tại MIT và các nơi khác lần đầu tiên đã mô tả lực hạt nhân mạnh và sự tương tác giữa các proton và neutron, ở khoảng cách cực ngắn.
Họ đã thực hiện một phân tích dữ liệu rộng rãi trên các thí nghiệm máy gia tốc hạt trước đây và thấy rằng khi khoảng cách giữa các proton và neutron trở nên ngắn hơn, một sự chuyển đổi đáng ngạc nhiên xảy ra trong các tương tác của chúng. Ở những khoảng cách lớn, lực hạt nhân mạnh hoạt động chủ yếu để thu hút một proton tới neutron, ở khoảng cách rất ngắn, lực này trở nên bừa bãi: Các tương tác có thể xảy ra không chỉ để thu hút một proton tới neutron, mà còn để đẩy lùi hoặc đẩy các cặp neutron khác nhau.
“Đây là cái nhìn rất chi tiết đầu tiên về những gì xảy ra với lực hạt nhân mạnh ở khoảng cách rất ngắn”, Or Hen, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT nói. “Điều này có ý nghĩa rất lớn, chủ yếu đối với các ngôi sao neutron và cả sự hiểu biết về các hệ thống hạt nhân nói chung.”
Hen và các đồng nghiệp đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Nature . Các đồng tác giả của ông bao gồm tác giả đầu tiên Axel Schmidt Tiến sĩ16, một cựu sinh viên tốt nghiệp và postdoc cùng với sinh viên tốt nghiệp Jackson Pybus, sinh viên đại học Adin Hrnjic và các đồng nghiệp bổ sung từ MIT, Đại học Do Thái, Đại học Tel-Aviv, Đại học Old Dominion, và các thành viên của Hợp tác CLAS, một nhóm các nhà khoa học đa tổ chức có liên quan đến Máy quang phổ gia tốc lớn CEBAF (CLAS), máy gia tốc hạt tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Newport News, Virginia.
Ảnh chụp sao thả
Tương tác siêu ngắn giữa các proton và neutron là rất hiếm trong hầu hết các hạt nhân nguyên tử. Việc phát hiện ra chúng đòi hỏi các nguyên tử đập mạnh với một số lượng lớn các electron năng lượng cực cao, một phần trong số đó có thể có cơ hội phóng ra một cặp nucleon (proton hoặc neutron) di chuyển với động lượng cao – một dấu hiệu cho thấy các hạt phải tương tác ở khoảng cách cực ngắn.
“Để thực hiện những thí nghiệm này, bạn cần máy gia tốc hạt cực kỳ cao,” Hen nói. “Chỉ gần đây chúng tôi có khả năng dò tìm và hiểu rõ các quy trình đủ để thực hiện loại công việc này.”
Hen và các đồng nghiệp đã tìm kiếm các tương tác bằng cách khai thác dữ liệu được thu thập trước đây bởi CLAS, một máy dò hạt cỡ nhà tại Phòng thí nghiệm Jefferson; máy gia tốc JLab tạo ra các chùm electron có cường độ cao và năng lượng cao chưa từng thấy. Máy dò CLAS đã hoạt động từ năm 1988 đến 2012 và kết quả của những thí nghiệm này đã có sẵn cho các nhà nghiên cứu để xem xét các hiện tượng khác bị chôn vùi trong dữ liệu.
Trong nghiên cứu mới của họ, các nhà nghiên cứu đã phân tích một kho dữ liệu lên tới một số triệu triệu electron đánh vào hạt nhân nguyên tử trong máy dò CLAS. Chùm electron nhắm vào các lá làm từ carbon, chì, nhôm và sắt, mỗi loại có các nguyên tử có tỷ lệ proton khác nhau so với neutron. Khi một electron va chạm với một proton hoặc neutron trong nguyên tử, năng lượng mà nó tán xạ đi tỷ lệ thuận với năng lượng và động lượng của hạt nhân tương ứng.
“Nếu tôi biết tôi đã đá một thứ gì đó mạnh đến mức nào và nó phát ra nhanh như thế nào, tôi có thể tái tạo lại động lực ban đầu của thứ được đá,” Hen giải thích.
Với cách tiếp cận chung này, nhóm nghiên cứu đã xem xét các vụ va chạm electron hàng triệu triệu và tìm cách cô lập và tính toán động lượng của hàng trăm cặp hạt nhân có động lượng cao. Hen ví các cặp này là “các giọt sao neutron”, như động lượng của chúng và khoảng cách được suy ra của chúng, tương tự như các điều kiện cực kỳ dày đặc trong lõi của một ngôi sao neutron.
Họ coi mỗi cặp bị cô lập là một “ảnh chụp nhanh” và tổ chức hàng trăm ảnh chụp nhanh dọc theo phân phối động lượng. Ở đầu thấp của phân bố này, họ đã quan sát thấy sự triệt tiêu các cặp proton-proton chỉ ra rằng lực hạt nhân mạnh hoạt động chủ yếu để thu hút các proton tới neutron ở động lượng cao trung bình và khoảng cách ngắn.
Hơn nữa dọc theo sự phân bố, họ quan sát thấy một quá trình chuyển đổi: Dường như có nhiều proton-proton hơn và, bằng các cặp neutron-neutron đối xứng cho thấy ở động lượng cao hơn, hoặc khoảng cách ngày càng ngắn, lực hạt nhân mạnh không chỉ tác dụng lên các proton-neutron, mà còn trên proton-proton và neutron-neutron. Lực ghép đôi này được hiểu là phản cảm trong tự nhiên, nghĩa là ở khoảng cách ngắn, neutron tương tác bằng cách đẩy mạnh nhau.
Ý tưởng về một lõi đáng ghét trong lực lượng hạt nhân mạnh mẽ là thứ gì đó bị ném xung quanh như thứ huyền thoại này tồn tại, nhưng chúng ta không biết làm thế nào để đến đó, giống như cổng thông tin này từ một cõi khác. Và bây giờ các nhà khoa học có dữ liệu trong đó quá trình chuyển đổi này đang họ quan sát chằm chằm và điều đó thực sự đáng ngạc nhiên.
Các nhà nghiên cứu tin rằng sự chuyển đổi này trong lực hạt nhân mạnh có thể giúp xác định rõ hơn cấu trúc của một ngôi sao neutron. Hen trước đây đã tìm thấy bằng chứng rằng trong lõi ngoài của các sao neutron, neutron chủ yếu kết hợp với các proton thông qua sức hút mạnh mẽ. Với nghiên cứu mới của họ, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng rằng khi các hạt được đóng gói trong các cấu hình dày đặc hơn và cách nhau bởi khoảng cách ngắn hơn, lực hạt nhân mạnh tạo ra lực đẩy giữa các neutron, ở lõi của sao neutron, giúp ngôi sao không bị sụp đổ trên chính nó.
Ít hơn một túi quark
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện hai khám phá bổ sung. Đối với một người, các quan sát của họ phù hợp với dự đoán của một mô hình đơn giản đáng ngạc nhiên mô tả sự hình thành các mối tương quan trong phạm vi ngắn do lực hạt nhân mạnh. Mặt khác, trái với sự mong đợi, lõi của một ngôi sao neutron có thể được mô tả nghiêm ngặt bằng các tương tác giữa các proton và neutron, mà không cần phải giải thích rõ ràng cho các tương tác phức tạp hơn giữa các quark và gluon tạo nên các hạt nhân riêng lẻ.
Khi các nhà nghiên cứu so sánh các quan sát của họ với một số mô hình hiện tại của lực hạt nhân mạnh, họ đã tìm thấy một kết hợp đáng chú ý với dự đoán từ Argonne V18, một mô hình được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, xem xét 18 cách khác nhau của các hạt nhân, vì chúng có thể tương tác với nhau. được ngăn cách bởi khoảng cách ngắn hơn và ngắn hơn.
Điều này có nghĩa là nếu các nhà khoa học muốn tính toán các tính chất của sao neutron, Hen nói rằng họ có thể sử dụng mô hình Argonne V18 đặc biệt này để ước tính chính xác lực tương tác lực hạt nhân mạnh giữa các cặp hạt nhân trong lõi. Dữ liệu mới cũng có thể được sử dụng để đánh giá các phương pháp tiếp cận thay thế để mô hình hóa lõi của các sao neutron.
Điều mà các nhà nghiên cứu thấy thú vị nhất là mô hình tương tự như được viết mô tả sự tương tác của các hạt nhân ở khoảng cách cực ngắn mà không tính đến các quark và gluon một cách rõ ràng. Các nhà vật lý đã cho rằng trong môi trường cực kỳ dày đặc, hỗn loạn như lõi sao neutron, sự tương tác giữa các neutron sẽ nhường chỗ cho các lực phức tạp hơn giữa các quark và gluon. Bởi vì mô hình không tính đến các tương tác phức tạp hơn này và vì dự đoán của nó ở khoảng cách ngắn phù hợp với quan sát của nhóm, Hen nói rằng có khả năng lõi của sao neutron có thể được mô tả theo cách ít phức tạp hơn.
“Mọi người cho rằng hệ thống này dày đặc đến mức nó nên được coi là một món súp quark và gluon,” Hen giải thích. “Nhưng chúng tôi tìm thấy ngay cả ở mật độ cao nhất, chúng tôi có thể mô tả các tương tác này bằng cách sử dụng proton và neutron; chúng dường như giữ được danh tính và không biến thành túi quark này. Vì vậy, lõi của các sao neutron có thể đơn giản hơn nhiều so với mọi người nghĩ Đó là một bất ngờ lớn. “
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Vật lý Hạt nhân thuộc Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :