Сила сильна в нейтронных звездах

Самое обычное дело, удерживаемых вместе невидимой субатомных клей известен как сильная ядерная сила — одно из четырех фундаментальных сил в природе, наряду с гравитацией, электромагнетизмом, и слабое взаимодействие. Сильная ядерная сила отвечает за толчок и притяжение между протонами и нейтронами в ядре атома, которая удерживает атом от распада в на себя.

В атомных ядер, большинство протоны и нейтроны находятся достаточно далеко друг от друга, что физики могут точно предсказать их взаимодействие. Однако, эти предсказания являются недостатками, когда субатомные частицы так близко, как практически друг на друге.

Хотя такие сверхкороткие дистанции взаимодействия являются редкостью в большинстве материи на Земле, они определяют ядер нейтронных звезд и других плотных астрофизических объектов. Поскольку ученые впервые начали изучать ядерную физику, они пытались объяснить, как сильная ядерная сила играет на таких сверхкоротких дистанциях.

Теперь физики из Массачусетского технологического института и других странах впервые охарактеризовал сильные ядерные силы и взаимодействия между протонами и нейтронами, при очень коротких расстояниях.

Они провели обширный анализ данных предыдущих экспериментов на ускорителях частиц, и обнаружили, что расстояние между протонами и нейтронами становится короче, происходит удивительный переход в их взаимодействии. Где при больших расстояниях, сильная ядерная сила действует в первую очередь для привлечения Протона в нейтрон, при очень коротких расстояниях, сил становится существенно неизбирательного: взаимодействие может происходить не только привлечь Протона в нейтрон, а также для отражения, или растолкать пары нейтронов.

«Это первый очень подробно рассмотрим, что происходит с ядерными силами на очень короткие расстояния», — говорит или курица, профессор-физик в Массачусетском технологическом институте. «Это имеет огромные последствия, в первую очередь, для нейтронных звезд, а также для понимания ядерной системы в целом».

Хен и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Nature. Его соавторами включают первый автор Аксель Шмидт К. ’16, бывший аспирант и постдок, вместе с аспирантом Джексон Пибус, студент Адин Hrnjic и дополнительных коллеги из Массачусетского технологического института, Еврейский университет, Тель-Авивский университет, Университет Олд Доминион, и члены клас сотрудничестве межведомственной группы ученых, работающих с большой ускоритель CEBAF спектрометр (кла), ускорителя частиц в Лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-ньюсе, Вирджиния.

Звезда снимок падение

Ультра-короткие расстояния взаимодействия между протонами и нейтронами редки в большинстве атомных ядер. Обнаружение их требует избивания атомов с огромным количеством чрезвычайно высокой энергией электронов, часть из которых, возможно, есть шанс выдавить пару нуклонов (протонов или нейтронов) переезд на высоком уровне-еще одно свидетельство того, что частицы должны быть взаимодействия на сверхмалых расстояниях.

«Эти эксперименты, нужно безумно сильноточных ускорителях», Курочка говорит. «Это только недавно, когда у нас есть возможность детектор, и понимания процессов достаточно хорошо, чтобы сделать этот тип работы.»

Хен и его коллеги смотрели на взаимодействия в процессе интеллектуального анализа данных, ранее собранных клас, размером с дом детектор частиц в Лаборатории Джефферсона; в JLab ускоритель производит беспрецедентно высокой интенсивности и высокой энергии пучков электронов. Детектор клас функционирует с 1988 по 2012 год, и результаты этих экспериментов были доступны для исследователей, чтобы посмотреть на другие явления похоронен в данные.

В своем новом исследовании, исследователи проанализировали целый клад данных на сумму около квадриллиона электронов наезд атомных ядер в детекторе клас. Пучок электронов был направлен на пленок из углерода, свинца, алюминия, и железа, каждая с атомами различных соотношениях протонов в нейтроны. Когда электрон сталкивается с Протоном или нейтроном в атоме, то энергии, на котором он рассеивается пропорционально энергии и импульса соответствующего нуклона.

«Если я знаю, как тяжело мне что-то щелкнуло и как быстро он вышел, я смогу восстановить первоначальный импульс, что был кикнут,» Курочка объясняет.

С этим общим подходом, команда выглядела через квадриллион столкновений электронов и удалось изолировать и расчета импульса из нескольких сотен пар высокого импульса нуклонов. Курица уподобляет эти пары в «нейтронную звезду капельки», как их обороты, и их предполагаемые расстоянии друг от друга, похожа на очень плотную условия в ядре нейтронной звезды.

Они относились друг к изолированной пары в качестве «моментального снимка» и организовал несколько сотен снимков вдоль распространения импульса. На нижнем конце этого распределения, они наблюдали подавление пар протон-протон, указывая, что сильная ядерная сила действует в основном для привлечения протонов в нейтроны промежуточных высокие обороты, и на короткие расстояния.

Дальше по распределению, они наблюдали переход: появились более протон-протонных и симметрии, нейтрон-нейтронных пар, предположив, что, при более высоких оборотов, или более короткие расстояния, сильная ядерная сила действует не только на протоны и нейтроны, но и протоны и протоны и нейтроны и нейтронов. Это спаривание силой понимается отталкивания в природе, т. е. на короткие расстояния, нейтроны взаимодействуют сильно отталкивать друг друга.

«Эту идею отталкивающей сердцевины в сильная ядерная сила-то разбросаны, как эта мифическая вещь, которая существует, но мы не знаем, как туда попасть, как этот портал из другого мира», — говорит Шмидт. «И теперь у нас есть данные, где этот переход находится прямо перед нами, и это было действительно удивительно.»

Исследователи полагают, что этот переход в сильная ядерная сила может помочь лучше определить структуру нейтронной звезды. Курица раньше нашли доказательства того, что во внешнем ядре нейтронной звезды, нейтроны в основном пары с протонами из-за сильного притяжения. В своем новом исследовании, исследователи нашли доказательства того, что, когда частицы упакованы значительно плотнее конфигураций и разделены на короткие расстояния, сильная ядерная сила создает силу отталкивания между нейтронами, что, в нейтронную звезду в ядро, помогает сохранить звезду от саморазрушается.

Меньше чем сумку из кварков

Команда сделала два дополнительных открытий. Например, свои наблюдения соответствуют предсказаниям удивительно простая модель, описывающая формирование короткодействующие корреляции из-за сильных ядерных сил. Для другого, против ожидания, ядро нейтронной звезды может быть описана строго по взаимодействия между протонами и нейтронами, без необходимости явно учитывать сложные взаимодействия между кварками и глюонами, которые составляют отдельные нуклоны.

Когда исследователи сравнили свои наблюдения с нескольких существующих моделей ядерного взаимодействия, они нашли замечательное совпадение с предсказаниями из Аргоннской V18 стоит, модель, разработанная исследовательской группой в Аргоннской национальной лаборатории, которая является 18-разному нуклоны могут взаимодействовать, поскольку они разделяются на короткие и более короткие расстояния.

Это означает, что если ученые хотят вычислить свойства нейтронной звезды, Курочка говорит, что они могут использовать эту модель V18 в Аргоннской точно оценить сильного взаимодействия ядерные силы между парами нуклонов в ядре. Новые данные также могут использоваться для сравнительного анализа альтернативных подходов к моделированию ядер нейтронных звезд.

То, что исследователи нашли самое захватывающее было то, что эта же модель, как сказано, описывающая взаимодействие нуклонов на предельно коротких дистанциях, без явного учета кварков и глюонов. Физики предполагали, что в чрезвычайно плотной, хаотических средах, таких как нейтронная звезда ядер, взаимодействий между нейтронами, должен уступить место более сложных сил между кварками и глюонами. Поскольку модель не принимает этих более сложных взаимодействий во внимание, и потому, что его прогнозы на коротких дистанциях матч наблюдения группы, Курочка говорит, что это вероятно, что нейтронная звезда-это ядро может быть описано в менее сложном порядке.

«Люди предполагали, что система настолько плотным, что его следует рассматривать как суп из кварков и глюонов,» Курочка объясняет. «Но мы видим даже на самых высоких плотностей, мы можем описать эти взаимодействия с помощью протонов и нейтронов; они, кажется, чтобы сохранить свою идентичность и не превратиться в эту сумку из кварков. Так что ядра нейтронных звезд может быть гораздо проще, чем люди думали. Это огромный сюрприз».

Это исследование было поддержано, в части, отделение ядерной физики в США Управление по энергетической науки.

сделать разницу: спонсорские возможности