Японские учёные выявили новую «третью силу» в атомном ядре, объясняющую стабильность материи

Недавние исследования, инициированные учёными из Университета Кюсю в Японии, пролили свет на влияние определённого вида силы внутри атомных ядер на их стабильность. Этот вид силы, известный как «трёхнуклонное взаимодействие», играет существенную роль в устойчивости ядер и может пролить свет на астрофизические процессы, такие как формирование тяжёлых элементов в недрах звёзд.

Исследование раскрывает механизм, с помощью которого трёхнуклонное взаимодействие способствует упрочнению ядерной стабильности. Учёные опирались на теоретические методы и моделирование с использованием суперкомпьютеров для анализа пи-онного обмена между тремя нуклонами.

Токуро Фукуи, руководитель исследования и доцент факультета искусств и наук Университета Кюсю, сравнивает ядерные силы с игрой в мяч. В случае двухнуклонного взаимодействия два «игрока» (нуклона) обмениваются «мячом» (мезоном). При трёхнуклонном взаимодействии в процесс вовлечены три «игрока», участвующих в одновременной передаче и ловле «мячей», а также движущихся по орбитам внутри ядра.

Результаты исследования показали, что обмен двумя пионами между тремя нуклонами возможен в четырёх различных комбинациях движения и поворота. Особенно важной является комбинация, названная «компонентом ранга 1», которая способствует укреплению ядерной стабильности.

Учёные выяснили, что трёхнуклонное взаимодействие усиливает явление, известное как спин-орбитальное расщепление. При совпадении направления вращения и движения нуклонов их энергия снижается. В противном случае она увеличивается, что ведёт к расщеплению энергетических уровней нуклонов и обеспечивает стабильную основу ядра.

Суперкомпьютерное моделирование продемонстрировало, что трёхнуклонное взаимодействие повышает энергетическое состояние для нуклонов с выровненными спинами и орбитами, одновременно увеличивая разрыв энергии для нуклонов с противонаправленными спинами и орбитами. Это делает ядра ещё более стабильными.

Этот эффект наиболее заметен в более тяжёлых ядрах с большим числом нуклонов. В углероде-12, самом тяжёлом исследованном элементе с 12 нуклонами, трёхнуклонное взаимодействие увеличило энергетический разрыв в 2,5 раза.

Исследователи обнаружили также, что трёхнуклонное взаимодействие приводит к квантовой запутанности, при которой два из трёх нуклонов обладают спинами, существующими одновременно в двух состояниях до измерения. Это открытие имеет важные последствия для будущих научных трудов, включая квантовые вычисления.

Понимание трёхнуклонного взаимодействия может стать ключевым в объяснении процессов образования тяжёлых элементов в результате слияния лёгких элементов в звёздах. Это взаимодействие, усиливающееся в более тяжёлых ядрах, поддерживает их стабильность, создавая большие энергетические разрывы между ядерными оболочками. Такая стабильность усложняет захват нейтронов, необходимых для формирования более тяжёлых элементов.

Токуро Фукуи подчёркивает, что знание об энергетических разрывах между ядерными оболочками крайне важно для прогнозирования процессов образования тяжёлых элементов. Ядрам с «магическим числом» – числом протонов или нейтронов, при котором оболочки полностью заполнены, – возможно, потребуется большое количество энергии для продолжения слияния. Открытие квантовой запутанности из-за трёхнуклонного взаимодействия открывает новые перспективы для квантовых технологий, таких как квантовые вычисления. Хотя масса нуклонов существенно превышает массу электронов, это различие может привести к новым сферам применения в передовых вычислительных системах.

Учёные намерены продолжить свои исследования, сосредоточив внимание на элементах, тяжелее углерода-12, где ожидается ещё более сильное воздействие трёхнуклонного взаимодействия. Эти дальнейшие исследования могут углубить понимание процессов, происходящих в звёздах, и объяснить присутствие различных элементов во Вселенной.

Источник: iXBT