Физики из 13 стран рассказали о результатах исследования относительной частоты рождения короткодействующих двухнуклонных корреляций в легчайших зеркальных ядрах, содержащих по три нуклона. Данные были получены для определенного кинематического диапазона при рассеянии электронов на ядрах. Коллаборация выяснила, что в легких ядрах нейтрон-протонные пары образуются примерно в два раза чаще, чем протон-протонные, что существенно отклоняется от картины в тяжелых ядрах, где это значение гораздо больше. Новые результаты помогут теоретикам лучше понять, как устроены нуклон-нуклонные взаимодействия.
Физики довольно плохо понимают то, как ведут себя нуклоны в атомных ядрах, на фоне того, что они знают о поведении электронов в атомах. Экспериментальное исследование этого вопроса ограничено узостью доступного инструментария (главным образом это опыты по рассеянию на ядрах) и небольшой его точностью. Развитие теории же упирается в недостатки существующих методов описания нуклон-нуклонного взаимодействия, а также в его интенсивность, которая не всегда позволяет использовать приближенные методы.
По этой причине физики пытаются представить себе поведение протонов и нейтронов в ядрах с помощью различных моделей, чаще всего описывающих нуклоны как невзаимодействующие частицы, двигающиеся в некотором среднем потенциале. Например, модель ферми-газа описывает ядро в основном состоянии как смесь двух вырожденных ансамблей фермионов, чьи импульсы не могут превышать некоторую границу (импульс Ферми).
Однако законы квантовой механики допускают временную близость двух нуклонов, при которой в игру вступает довольно сильная короткодействующая часть нуклон-нуклонного взаимодействия. Такие пары нуклонов называют короткодействующими двухнуклонными корреляциями (КДК). Для них характерно то, что большая сила временно разгоняет нуклоны до импульсов, превышающих импульсы Ферми, но направленных в противоположные друг другу стороны.
Эта особенность подсказывает физикам, что искать такие корреляции нужно по характерным признакам в данных по электронному рассеянию на ядрах. Обычно эти признаки тяжело увидеть на фоне других эффектов, однако это можно сделать, если выделить в данных правильный кинематический диапазон. Параметр диапазона определяется как квадрат переданного 4-импульса, деленный на переданную энергию и удвоенную массу протона.
Наиболее информативными для исследования КДК оказались события, в которых детекторы регистрируют не только рассеявшийся электрон, но и вылетевший протон вместе с нуклоном-партнером (протоном или нейтроном). К сожалению, этот метод не дает возможности увидеть нейтрон-нейтронные (nn) КДК, но, по крайней мере, физики смогли сравнить частоту появления нейтрон-протонных (np) и протон-протонных (pp) пар. Пробуя этот метод на различных ядрах, физики обнаружили, что np-КДК рождаются существенно чаще. Для получения ответа, однако, им приходилось вносить в вычисления модельно зависимые поправки, связанные с перерассеянием нуклонов на ядре с последующим обменом между протоном и нейтроном. Более поздние вычисления показали, что результат очень сильно зависит от выбора модели.
Чтобы получить более устойчивый и точный результат, большая коллаборация физиков из 13 стран, большинство из которых представляют институты и лаборатории США, сфокусировалась на сравнении данных о рассеянии на двух простейших зеркальных ядрах — водороде-3 (тритии) и гелии-3. Зеркальными называют ядра с одинаковым массовым числом, но различным зарядом. Они представляют собой бесценный инструмент для исследования нарушений изоспиновой симметрии, то есть симметрии относительно замены протона на нейтрон. Выбор легчайшей зеркальной пары помог ученым свести к минимуму необходимые поправки на обмен, а также массовые поправки, которые необходимо учитывать при экспериментах с более тяжелыми зеркальными ядрами.
Данные, использованные физиками, были собраны в лаборатории Джефферсона за весенний и осенний сезоны работы в 2018 году. Для подобного эксперимента часть команды разработала отдельную технологию создания тритиевой мишени, на которой рассеивались электроны. Для регистрации импульсов последних ученые использовали черенковские и сцинтилляторные детекторы с дрейфовыми камерами.
Исследователи сконцентрировались на кинематическом диапазоне от 1,4 до 1,7, в котором лучше всего удавалось выделить сигналы от КДК на фоне остальных данных. Сравнивая в нем сечения рассеяний на тритии и гелии-3, они извлекали отношение pp-КДК к np-КДК в ядрах. После учета всех необходимых поправок, эта величина оказалась равной 0,28 ± 0,13. Чтобы сделать универсальный вывод о том, насколько чаще рождаются протон-нейтронные пары, это значение требовалось скорректировать согласно различию в составах ядер.
В итоге физики выяснили, что протон-нейтронные корреляции происходят в легких ядрах в 2,17+0,25−0,20 раз чаще. Полученная ими погрешность на порядки ниже, чем в предыдущих экспериментах с более тяжелыми зеркальными ядрами. Вместе с тем, константа изоспиновой асимметрии для трехнуклонных ядер сильно контрастирует с таковой для тяжелых ядер, где она достигает нескольких десятков. Это, среди прочего, может свидетельствовать о том, что нуклон-нуклонные взаимодействия содержат как короткодействующую изоспин-зависимую, так и сверхкороткодействующую изоспин-независимую части в силу различных средних расстояний между нуклонами в тяжелых и легких ядрах.