Завершили 10-летний эксперимент: ученые наконец раскрыли тайны нейтронов

Фото: Getty Images

Масштабный эксперимент, который длился более десяти лет, позволил впервые детально исследовать динамический рой частиц в субатомных нейтронах. Это открытие закладывает основу для изучения структуры материи на ее фундаментальном уровне, пишет Science Alert.

Последние данные, полученные из Центрального нейтронного детектора, расположенного в Национальном ускорителе им. Томаса Джефферсона (TJNAF) Министерства энергетики США, значительно углубили наше понимание квантовой структуры нейтронов.

"Это очень важный результат для изучения нуклонов", — отметила Сильвия Никколаи, научный директор Национального центра научных исследований Франции.

В атомном ядре нейтроны и протоны состоят из еще меньших компонентов, известных как кварки, которые взаимодействуют через глюоны. Баланс этих частиц определяет, содержит ли ядро протон или нейтрон.

Однако эти субатомные единицы далеки от упорядоченности; их поведение напоминает хаотический шторм частиц, колеблющихся между существованием и несуществованием в квантовых пределах.

Десятилетиями физики использовали электроны для исследования ядерных частиц, измеряя их картины рассеяния, чтобы составить карту частиц внутри. Кварки и глюоны далее описываются в рамках квантовых структур, известных как партоны.

В то время как в изучении протонов удалось достичь значительных успехов благодаря высокоэнергетическим экспериментам в TJNAF, аналогичные усилия, направленные на разгадку поведения партонов нейтрона, натолкнулись на технологические препятствия.

Проблема заключается в неуловимом поведении нейтронов, которые рассеивают электроны под углами, которые ранее не определялись оборудованием установки. Чтобы решить эту проблему, в 2011 году в сотрудничестве с CNRS началось строительство нового детектора.

Этот усовершенствованный детектор, который работает с 2019 года, позволил собирать эти данные. Несмотря на первоначальное загрязнение от блуждающих протонов, алгоритмы машинного обучения усовершенствовали набор данных, что позволило исследователям точно смоделировать поведение нейтронов.

Результаты эксперимента предложили новое понимание обобщенного распределения партонов (GPD) E, ключевого аспекта нейтронной спиновой динамики. Сравнивая эти результаты с имеющимися данными о протонах, исследователи обнаружили критические различия, связанные с поведением кварков.

Никколаи отметила: "GPD E очень важен, потому что он может дать нам информацию о спиновой структуре нуклонов".

Спин, квантовое свойство, аналогичное угловому моменту, давно озадачивает физиков. Предыдущие исследования показали, что кварки составляют лишь около 30% от общего спина нуклона — загадка, известная как "спиновый кризис". Данные этого эксперимента прокладывают путь к разгадке этих неизвестных, проливая свет на то, отвечают ли за оставшийся спин глюонные взаимодействия или другие механизмы.

Этот прорыв не только углубляет наше понимание поведения нейтронов, но и открывает новые пути для изучения квантовой механики и сил, управляющих Вселенной.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform