Ανιχνεύοντας τον Πυρήνα του Ηλίου πέρα ​​από την Επίγεια Κατάσταση

10 Απριλίου 2023• Η φυσικη 16, 58

Ένα νέο πείραμα σκέδασης ηλεκτρονίων προκαλεί την κατανόησή μας για την πρώτη διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα του ηλίου.

×

Ένας πυρήνας ηλίου, επίσης γνωστός ως an

σωματίδιο, αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια και είναι ένας από τους πιο εκτενώς μελετημένους ατομικούς πυρήνες. Δεδομένου του μικρού αριθμού των συστατικών, το

Το σωματίδιο μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια από τους υπολογισμούς των πρώτων αρχών. Κι όμως, οι συγκινημένες καταστάσεις του

τα σωματίδια παραμένουν ένα μυστήριο, όπως αποδεικνύεται από μια διαφωνία γύρω από τη διέγερση από τη βασική κατάσταση

στην πρώτη συγκινημένη κατάσταση

[1]. Οι θεωρητικές προβλέψεις για αυτή τη μετάβαση δεν ταιριάζουν με τις μετρήσεις, αλλά οι πειραματικές αβεβαιότητες ήταν πολύ μεγάλες για να ληφθούν υπόψη. Τώρα, η συνεργασία A1 στο Mainz Microtron (MAMI) στη Γερμανία έχει εκ νέου μετρήσει αυτή τη μετάβαση μέσω ανελαστικής σκέδασης ηλεκτρονίων [2]. Τα νέα δεδομένα βελτιώνουν σημαντικά την ακρίβεια σε σύγκριση με προηγούμενες μετρήσεις και επιβεβαιώνουν την αρχική απόκλιση. Τα αποτελέσματα δίνουν νέες γνώσεις για τη χωρική δομή του

ενώ θίγουμε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την κατανόησή μας για τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις.

Οι ιδιότητες των πυρήνων χαμηλής ενέργειας μπορούν να μελετηθούν επιλύοντας την κβαντομηχανική εξίσωση Schrödinger για αλληλεπιδρώντα νουκλεόνια. Πρόσφατη πρόοδος στο από την αρχή μέθοδοι με λίγα σώματα, σε συνδυασμό με ταχέως αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ, επιτρέπουν μια αξιόπιστη περιγραφή των πυρήνων ελαφριάς και μέσης μάζας [3]. Η πλέον καθιερωμένη προσέγγιση βασίζεται στη χειραλική αποτελεσματική θεωρία πεδίου (

ΗΜΧ) [4]. Αυτή η θεωρία επιτρέπει σε κάποιον να εξαγάγει τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις μέσω μιας διαταραχής διαστολής σε μάζες κουάρκ και στις τρεις ροπές των νουκλεονίων. Προσφέρει μια φυσική εξήγηση της παρατηρούμενης ιεραρχίας των πυρηνικών δυνάμεων, στην οποία οι αλληλεπιδράσεις δύο νουκλεονίων κυριαρχούν στις αλληλεπιδράσεις πολυνουκλεονίων.

Η EFT έχει εφαρμοστεί με επιτυχία και εκτενώς σε ένα ευρύ φάσμα πυρηνικών συστημάτων [5].

Για το

σωματίδιο, η ενέργεια του

η βασική κατάσταση αναπαράγεται σωστά στο

Υπολογισμοί EFT. Αλλά όπως αποδεικνύεται, η ενέργεια της βασικής κατάστασης καθοδηγείται από καθολικές ιδιότητες συστημάτων λίγων νουκλεονίων [6] και, ως εκ τούτου, είναι σε μεγάλο βαθμό αναίσθητο σε λεπτομέρειες της αλληλεπίδρασης. Μια πιο αυστηρή δοκιμή προέρχεται από την αναπαραγωγή του συντελεστή ηλεκτρικής μορφής

που εξαρτάται από τη μεταφορά τεσσάρων στιγμών

και μπορεί να ερμηνευθεί ως μέτρο κατανομής φορτίου εντός του πυρήνα. Θεωρητικοί υπολογισμοί των

για το

σωματίδια και άλλοι ελαφροί πυρήνες δείχνουν καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα σε χαμηλά επίπεδα

αξίες [7], υποδεικνύοντας ότι η δομή βασικής κατάστασης αυτών των πυρήνων είναι καλά κατανοητή. Σκέδαση χαμηλής ενέργειας δύο

σωματίδια περιγράφεται επίσης κατάλληλα χρησιμοποιώντας

ΗΜΧ [8].

ο

σωματίδιο μπορεί να διεγερθεί από τη θεμελιώδη του κατάσταση στο

κατάσταση με ενέργεια 20,2 MeV, η οποία βρίσκεται ελαφρώς πάνω από το όριο διάσπασης δύο σωμάτων των 19,8 MeV—όπου το

σωματίδιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο και έναν πυρήνα υδρογόνου-3. Μπορεί να φαίνεται περίεργο αυτό

βρίσκεται στο «συνέχεια» των αδέσμευτων καταστάσεων, αλλά αυτή η κατάσταση πάνω από το όριο είναι συνηθισμένη στην πυρηνική φυσική, γι’ αυτό πολλές διεγερμένες καταστάσεις αναφέρονται ως συντονισμοί. Δεδομένης της ενέργειας πάνω από το όριο, οι ερευνητές εξακολουθούν να συζητούν πώς να ερμηνεύσουν το

κατάσταση: είναι κυρίως μια συλλογική διέγερση του συστήματος των τεσσάρων νουκλεονίων ή είναι μια μοριακή κατάσταση που αποτελείται από το πρωτόνιο και έναν πυρήνα υδρογόνου-3;

Για να βοηθήσετε στην κατανόηση του

κατάσταση, οι πειραματιστές μπορούν να ανιχνεύσουν αυτόν τον συντονισμό με ανελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων (Εικ. 1), ανακτώντας τον λεγόμενο παράγοντα μεταβατικής μορφής μονοπολίου

, το οποίο είναι ευαίσθητο στη δομή της διεγερμένης κατάστασης. Αρκετά πειράματα στη δεκαετία του 1970 μέτρησαν το τετράγωνο της απόλυτης τιμής του

για μια σειρά από

αξίες. Από την πλευρά της θεωρίας, οι υπολογισμοί του παράγοντα μορφής ήταν δύσκολοι λόγω της θέσης του

δηλώνουν πάνω από το όριο συνεχούς, όπως οι περισσότερες από την αρχή Οι υπολογισμοί περιορίζονται σε δεσμευμένες καταστάσεις. Αυτή η επιπλοκή ξεπεράστηκε το 2013 με τη χρήση μιας τεχνικής που έμμεσα λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις συνεχούς [1]. Οι υπολογισμοί χρησιμοποιώντας

Το EFT —όπως και τα φαινομενολογικά μοντέλα— βρέθηκε να διαφωνούν με τα δεδομένα, αλλά δεν μπόρεσαν να εξαχθούν ισχυρά συμπεράσματα λόγω της χαμηλής ακρίβειας των πειραματικών δεδομένων που ελήφθησαν πριν από σχεδόν μισό αιώνα.

×

Ο Simon Kegel από το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz της Γερμανίας και οι συνεργάτες του έχουν τώρα μετρήσει τον παράγοντα μορφής μονοπωλίου σε ένα ευρύ φάσμα

τιμές με έντονα μειωμένες αβεβαιότητες σε σύγκριση με προηγούμενες μετρήσεις [2]. Για να επιτύχει αυτή τη βελτίωση, η ομάδα εξέθεσε έναν στόχο αερίου ηλίου σε μια κυψέλη αλουμινίου στη δέσμη ηλεκτρονίων MAMI σε τρεις διαφορετικές ενέργειες. Το βασικό στοιχείο της ανάλυσης ήταν η προσεκτική επεξεργασία των συνεισφορών του υποβάθρου που προκλήθηκαν από τη σκέδαση ηλεκτρονίων στα τοιχώματα των κυψελών αλουμινίου. Για να απομονώσει αυτό το υπόβαθρο, η ομάδα πραγματοποίησε ξεχωριστές μετρήσεις με έντονα μειωμένη πυκνότητα ηλίου μέσα στο κύτταρο. Τα νέα δεδομένα υψηλής ακρίβειας για τον παράγοντα μεταβατικής μορφής συμφωνούν με τις προηγούμενες μετρήσεις και επιβεβαιώνουν τη διαφωνία με τους υπολογισμούς (Εικ. 2). Ο Kegel και οι συνάδελφοί του εξήγαγαν επίσης τους δύο πρώτους συντελεστές στην επέκταση χαμηλής ορμής του παράγοντα μεταβατικής μορφής. Οι ποσότητες αυτές, οι οποίες παρέχουν πληροφορίες για τη χωρική επέκταση του

κατάσταση, βρέθηκαν επίσης να αποκλίνουν από τις θεωρητικές προβλέψεις.

Λοιπόν, τι συνεπάγονται αυτές οι αποκλίσεις για τη σύγχρονη θεωρία των πυρηνικών δυνάμεων; Πρώτα απ ‘όλα, οι προβλέψεις για τον παράγοντα μεταβατικής μορφής διαφέρουν κατά περίπου 100%, ανάλογα με τις εισόδους αλληλεπίδρασης που χρησιμοποιούνται. Αυτή η μεγάλη εξάπλωση στις θεωρητικές προβλέψεις υποδηλώνει ότι ο παράγοντας μορφής μπορεί να χρησιμεύσει ως εργαλείο ή «μεγεθυντικός φακός» για την ανίχνευση μικρών συνεισφορών στις πυρηνικές δυνάμεις [1]. Ωστόσο, πριν γίνει μια τέτοια ανάλυση, οι ερευνητές χρειάζονται μια καλύτερη κατανόηση των θεωρητικών αβεβαιοτήτων. Σε αντίθεση με τα φαινομενολογικά μοντέλα,

Το EFT παρέχει μια συστηματική επέκταση κατά παραγγελία παρατηρήσιμων στοιχείων χαμηλής ενέργειας και επιτρέπει την εκτίμηση του σφάλματος περικοπής από παραμελημένες αλληλεπιδράσεις υψηλότερης τάξης. Τα τελευταία χρόνια, οι μέθοδοι Bayes έχουν αναπτυχθεί για την ποσοτικοποίηση των σφαλμάτων περικοπής «μαθαίνοντας» τον τρόπο

Η επέκταση ΗΜΧ συγκλίνει καθώς υπολογίζονται περισσότερες παραγγελίες [9]. Εάν μελλοντική εργασία δείξει ότι αυτά τα σφάλματα περικοπής είναι μεγάλα για τον παράγοντα μεταβατικής μορφής, όπως υποδηλώνεται ήδη από την εξαιρετική ευαισθησία του στις εισόδους αλληλεπίδρασης, τότε η σημασία της παρατηρούμενης απόκλισης μπορεί να τεθεί υπό αμφισβήτηση.

Ανεξάρτητα από τα θέματα αβεβαιότητας που συζητήθηκαν παραπάνω, η προέλευση της ισχυρής ευαισθησίας του παράγοντα μορφής σε λεπτομέρειες της πυρηνικής δύναμης είναι από μόνη της μια ενδιαφέρουσα ερώτηση. Μια πιθανή εξήγηση σχετίζεται με το πόσο κοντά το

Η ενέργεια διέγερσης (20,2 MeV) είναι στο κατώφλι διάσπασης δύο σωμάτων (19,8 MeV). Ο συντελεστής μορφής μπορεί να εξαρτάται από αυτή τη διαφορά ενέργειας, επομένως τυχόν αβεβαιότητες στον υπολογισμό της ενέργειας διέγερσης θα μεταφραστούν σε σχετικά μεγάλες αβεβαιότητες στις προβλέψεις του παράγοντα μορφής. Πρόσφατα, οι ερευνητές εξήγαγαν τα χαρακτηριστικά (ενέργεια και πλάτος) του

ο συντονισμός από το πρωτόνιο-συν-υδρογόνο-3 μετατοπίζεται λύνοντας το πρόβλημα σκέδασης τεσσάρων σωμάτων χρησιμοποιώντας

ΗΜΧ [10]. Σύμφωνα με την προτεινόμενη εξήγηση, το πλάτος του

Ο συντονισμός βρέθηκε να παρουσιάζει μια πολύ ισχυρή ευαισθησία στις λεπτομέρειες των αλληλεπιδράσεων. Απαιτείται περαιτέρω θεωρητική έρευνα για να διερευνηθεί η σχέση μεταξύ του παράγοντα μορφής και της θέσης του

αντήχηση.

Σχετικά με τον Συγγραφέα

Ο Evgeny Epelbaum έλαβε το διδακτορικό του το 2000 από το Πανεπιστήμιο του Ρουρ στο Μπόχουμ της Γερμανίας και εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Ρουρ του Μπόχουμ, στο Forschungszentrum Jlich στη Γερμανία, στο Πανεπιστήμιο Paris-Sud και στο Jefferson Lab στη Βιρτζίνια. Το 2006 έγινε αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βόννης στη Γερμανία. Από το 2010, είναι τακτικός καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ρουρ στο Μπόχουμ. Η έρευνά του επικεντρώνεται στην κατανόηση της δομής και της δυναμικής των ισχυρά αλληλεπιδρώντων αδρονικών και πυρηνικών συστημάτων χρησιμοποιώντας αποτελεσματική θεωρία πεδίου. Είναι παραλήπτης του μετάλλου Faddeev 2021.

Σχετικά Άρθρα

Πυρηνική φυσική

Ιδιότητες Heavy-Taste Λάβετε μια ενημέρωση

23 Μαρτίου 2023

Το Heavy Taste Averaging Group δημοσίευσε νέους παγκόσμιους μέσους όρους για τις ιδιότητες της ενημερωμένης αποσύνθεσης σωματιδίων βαριάς γεύσης με στόχο τη βελτίωση της κατανόησής μας για τη φυσική της γεύσης. Διαβάστε περισσότερα “

Περισσότερα άρθρα