物理学者は鏡の核を覗き込む
原子核は忙しい場所です。その陽子と中性子は定期的に衝突して衝突して飛び立ち、伸びた輪ゴムの端のように一緒に戻ってきました。光核でこれらのエネルギー的な衝突を研究している物理学者は、予想外の何かを発見しました。
の研究者を含む科学者の国際チームエネルギー省 ローレンスバークレー国立研究所（バークレーラボ）、DOEの連続電子ビームアクセラレータ施設を使用しながら発見をしましたトーマスジェファーソンナショナルアクセラレータ施設（ジェファーソンラボ）バージニア州。彼らの調査結果は最近ジャーナルに掲載されました自然。
これらの衝突を理解することは、さまざまな基本的な粒子物理学実験からのデータを理解するために重要です。また、科学者が崩壊した中性子星の構造をよりよく理解するのに役立ちます。これは、巨大な星のコアが崩壊し、宇宙で最も密な形態の物質の中で崩壊します。
バークレーラボの科学者であるジョン・アリントンは、プロジェクトの4人のスポークスマンの1人であり、論文の主著者であるシュジー・リーは、バークレーラボポスドクです。どちらもバークレーラボの原子力科学部門で働いています。
原子核、陽子、および中性子を構成する粒子は、核子と集合的に呼ばれます。物理学者は、以前に、炭素（12核のある）から鉛（208）に至るまでのさまざまな核の激しい2核の衝突を調査してきました。プロトンと中性子の衝突は、すべての衝突の95％以上を占め、残りの5％を占めるプロトンプロトンと中性子中性子衝突があります。
Jefferson Labの新しい実験は、それぞれ3つの核がある2つの「ミラー核」で衝突を研究し、プロトンプロトンと中性子中性子衝突が合計のはるかに大きなシェア（約20％）の原因であることを発見しました。 「私たちは、より正確な測定を非常に正確にしたかったのですが、それが劇的に異なることを期待していませんでした」とArringtonは言いました。
ある衝突を使用して別の衝突を研究します
原子核はしばしば、陽子と中性子の緊密なクラスターとして描かれているように描かれていますが、これらの核子は実際には常に互いに軌道に乗っています。 「それは太陽系のようなものですが、はるかに混雑しています」とアーリントンは言いました。ほとんどの核では、核子は2核の衝突に起因する高瞬間の励起状態で人生の約20％を費やしています。
これらの衝突を研究するために、物理学者は高エネルギー電子のビームで核をZAPします。散乱電子のエネルギーと反動角を測定することにより、ヒットした核子がどれだけ速く動いていたに違いないかを推測できます。 「それは、動くフロントガラスや静止したフロントガラスからピンポンボールを跳ね返すことの違いのようなものです」とアーリントンは言いました。これにより、最近別の核と衝突した高瞬間のプロトンから電子が散在するイベントを選択できます。
これらの電子プロトン衝突では、入ってくる電子は、核からすでに励起されたプロトンを完全にノックアウトするのに十分なエネルギーを詰めます。これにより、通常は励起された核子ペアに再起動する輪ゴムのような相互作用が壊れているため、2番目の核子も核から逃げます。
2体衝突の以前の研究では、物理学者は、両方の排出された核とともにリバウンド電子を検出した散乱イベントに焦点を合わせました。すべての粒子にタグを付けることで、プロトンプロトンのペアとプロトン - 中性子ペアの相対的な数を集計することができます。しかし、このような「トリプル偶然」イベントは比較的まれであり、分析では、カウントを歪める可能性のある核からの追加の相互作用のために慎重な会計が必要でした。
ミラー核は精度を高めます
新しい作品の著者は、排出された核子を検出せずに、プロトンプロトンとプロトン - 中性子ペアの相対的な数を確立する方法を見つけました。トリックは、同じ数の核を持つ2つの「ミラー核」からの散乱を測定することでした：トリチウム、単一のプロトンと2つの中性子を備えた水素のまれな同位体、および2つのプロトンと単一の中性子を持つヘリウム-3。 Helium-3は、陽子と中性子が交換したトリチウムのように見え、この対称性により、物理学者は、2つのデータセットを比較することにより、中性子を含むプロトンと陽子を含む衝突を区別することができました。
ジェファーソンラボの物理学者が電子散乱実験用のトリチウムガスセルを開発する計画を立てた後、ミラー核の努力が始まりました。アーリントンと彼の協力者は、核内で2体の衝突を新しい方法で研究するユニークな機会を見ました。
この新しい実験では、分析には珍しいトリプル偶然のイベントが必要ではなかったため、以前の実験よりもはるかに多くのデータを収集することができました。これにより、チームは以前の測定の精度を10倍に改善することができました。彼らは、トリチウムとヘリウム3で2核の衝突がより重い核とは異なる方法で機能すると予想する理由がなかったので、結果は非常に驚きました。
強い力の謎が残っています
強力な核力は、Quarks and Gluonsと呼ばれる亜原子粒子を管理する最も基本的なレベルでよく理解されています。しかし、これらの確固たる基盤にもかかわらず、核子のような複合粒子の相互作用を計算するのは非常に困難です。これらの詳細は、クォーク、グルオン、およびニュートリノのような他の基本粒子を研究する高エネルギー実験のデータを分析するために重要です。また、中性子星で普及している極端な条件で核子がどのように相互作用するかにも関連しています。
アーリントンは、何が起こっているのかを推測しています。核内の支配的な散乱プロセスは、陽子 - 中性子ペアに対してのみ発生します。しかし、プロトンを中性子と区別しない他のタイプの散乱に対するこのプロセスの重要性は、より重い核よりもヘリウム-3のような光核で大きくなる傾向がある核間の平均分離に依存する可能性があります。
この仮説をテストするには、他の光核を使用したより多くの測定が必要です。 「ヘリウム-3は、測定された少数の重い核とは異なることは明らかです」とアーリントンは言いました。 「今、私たちは他の光核のより正確な測定を推進して、決定的な答えをもたらしたいと考えています。」
参照：S。Li、R。Cruz-Torres、N。Saints、Zh Ye、D。Abras、J。Bane、St。BarcusJ. Barcus A. Beck、V。Bhatt、H。Bhattt。 Chance、D。Chrisman、Meal Clarke、St。Covrat、D。Day、D。Dutta、E。Fuchey、C。Garibaldi、T。Gogami、J。Gomes、DW Higinbotham、RJ Holt、C。Liyanage、E。 2022年8月、自然。
2：10.1038/S41586-022-05007-2
この研究は、科学エネルギー局によって資金提供されました。
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