10 декабря 2020

Физики в ЦЕРН измерили взаимодействие между протонами и гиперонами

Ученые, работающие в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН сообщили о том, что им удалось с высокой точностью измерить сильное взаимодействие между стабильными и нестабильными частицами — протоном и гипероном. Это прорывное событие в ядерной физике открывает новое направление высокоточных исследований динамики сильных взаимодействий. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных физических сил. Она отвечает за существование атомных ядер, состоящих из нескольких протонов и нейтронов.

Положительно заряженные протоны в атомных ядрах должны фактически отталкиваться друг от друга, но сильное взаимодействие удерживает их вместе даже в тяжелых ядрах с множеством протонов.

Протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц — кварков. И они тоже связаны между собой сильным взаимодействием.

В рамках проекта ALICE физики из Технического университета Мюнхена (TUM) под руководством профессора Лауры Фаббиетти (Laura Fabbietti) разработали метод точного измерения сильного взаимодействия с использованием столкновений между протонами и гиперонами — нестабильными частицами, состоящими из так называемых странных кварков.

Эксперименты по определению сильного взаимодействия чрезвычайно сложны, потому что гипероны после образования быстро распадаются. Эта трудность до сих пор препятствовала получению экспериментальных доказательств правильности теории сильного взаимодействия.

Четыре года назад профессор Фаббиетти предложила использовать для изучения сильного взаимодействия в эксперименте ALICE метод фемтоскопии, который позволяет исследовать пространственные масштабы, близкие к одному фемтометру (10-15 метров). Примерно таков размер протона и пространственный диапазон сильного воздействия.

С его помощью группе из TUM удалось не только проанализировать экспериментальные данные для большинства комбинаций гиперон-нуклон, но и измерить сильное взаимодействие для самого редкого из всех гиперонов — омега-гиперона, состоящего из трех странных кварков. Ученые также разработала свою собственную теоретическую прогнозную систему.

"Моя группа открыла новое направление ядерной физики на Большом адронном коллайдере, которое включает в себя изучение всех типов кварков, достигая неожиданной точности в том месте, куда никто не заглядывал", — приводятся в пресс-релизе университета слова Лауры Фаббиетти.

Авторы отмечают, что в их работе представлены лишь некоторые из множества вариантов сильных взаимодействий, а также подчеркивают важность открытия для понимания процессов, происходящих в загадочных нейтронных звездах.

Понимание взаимодействия между гиперонами и нуклонами чрезвычайно важно для проверки гипотезы о том, содержат ли нейтронные звезды гипероны. Силы, существующие между частицами, имеют прямое влияние на размер нейтронной звезды. Пока связь между массой и радиусом нейтронной звезды неизвестна.

Авторы планируют продолжить эксперименты и надеются, что их результаты в будущем помогут разгадать загадку нейтронных звезд.