Oszałamiająca oscylacja: fizycy ponownie zmierzyli właściwości neutronów — i zauważyli zaskakujące rzeczy. Ponieważ elektromagnetyczne współczynniki kształtu jednostki podstawowej nie zmieniają się równomiernie wraz ze wzrostem mocy, a raczej okresowo się zmieniają. Ta oscylacja, która została już zaobserwowana w protonie, nie może być wyjaśniona teoretycznie, wyjaśnił zespół w Nature Physics. Wskazuje jednak na wewnętrzną strukturę neutronu, która jest bardziej dynamiczna i złożona niż oczekiwano.

Protony i neutrony, z których każdy składa się z trzech kwarków, są budulcem materii – razem tworzą jądro atomowe. Ale pomimo tego podstawowego znaczenia, podstawowe składniki nadal istnieją puzzle zatrudnienie. Nawet z podstawowymi funkcjami, takimi jak długość życiaI rozmiar I Struktura wewnętrzna Są wielkie wątpliwości. Ponadto fizycy wielokrotnie obserwują zjawiska, które nie odpowiadają modelom teoretycznym.

Sekret współczynnika kształtu

Fizycy ze współpracy BESIII zrealizowali teraz nowy pogląd na właściwości neutronów. Celem eksperymentu było dokładniejsze określenie tak zwanych elektromagnetycznych współczynników kształtu neutronów. Opisują średni rozkład ładunku elektrycznego i magnetycznego w neutronie, a tym samym dostarczają wskazówek na temat zachowania i rozmieszczenia trzech kwarków połączonych gluonami w jego wnętrzu.

„Pojedynczy współczynnik kształtu, mierzony przy danej energii, początkowo niewiele mówi”, wyjaśnia Frank Maas z Helmholtz Institute Mainz (HIM). „Tylko znajomość współczynników kształtu przy różnych energiach pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat struktury neutronu”. Ponieważ nie przeprowadzono żadnych pomiarów w zakresie energii od 2 do 3,8 gigaelektronowolta, zespół zamknął tę lukę za pomocą eksperymentów anihilacyjnych.

W tym celu fizycy zbadali właściwości neutronów i antyneutronów powstających podczas zderzeń elektronów i pozytonów w akceleratorze cząstek BESIII w Chinach. „Mówiąc metaforycznie, wypełniliśmy pusty obszar na mapie współczynnika kształtu neutronów nowymi danymi” – mówi Maas.

Oscylacja jest niezgodna z wzorcami

Analizy dostarczyły kilku nowych ustaleń. Jeden z nich: w zależności od energii współczynnik kształtu neutronu nie tworzy gładkiej linii, ale raczej oscylujący wzór. Wraz ze wzrostem mocy odchylenia stają się coraz mniejsze. To nagłe zachowanie stanowi wyraźne odchylenie od oczekiwanego zachowania, wyjaśniają fizycy. Jednak ostatnio takie oscylacje zaobserwowano również w protonie.

„Obserwujemy teraz identyczne zachowanie przy podobnej częstotliwości również w neutronie, ale z dużym przesunięciem fazowym” – napisali naukowcy. „Wyniki te wskazują, że nie ma jeszcze poznanej dynamiki wewnętrznej w nukleonach odpowiedzialnych za te mniej więcej ortogonalne oscylacje”. Innymi słowy: wewnątrz podstawowych komponentów dzieje się coś, czego obecne modele jeszcze nie wychwyciły.

„Teoretycznie, nasi koledzy są proszeni o opracowanie modeli tego niezwykłego zachowania” – mówi Maas.

Wcześniejsze odchylenie odrzucone

Jednak nowe pomiary pokazują również, że rozbieżność w poprzednich pomiarach wcale nie wydaje się istnieć. Badacze wykazali silniejsze sprzężenie z wirtualnymi fotonami neutronu niż protonu – więc neutron musi konsekwentnie wykazywać większy współczynnik kształtu niż proton. Ale to jest sprzeczne z podstawowymi teoriami: „Ponieważ proton jest naładowany, można by oczekiwać, że będzie dokładnie odwrotnie” – mówi Maas.

Dane z eksperymentu BESIII obalają teraz poprzednie odkrycie: „Nasze wyniki pokazują, że oddziaływanie foton-proton jest silniejsze niż odpowiadające mu oddziaływanie foton-neutron – zgodnie z przewidywaniami większości modeli teoretycznych” – napisał zespół. „To wyjaśnia ponad 20-letnią zagadkę dotyczącą tej interakcji”.

Ważne również dla astrofizyki

W ten sposób nowe dane pomiarowe pomagają rozwiązać przynajmniej niektóre zagadki dotyczące tych elementów budulcowych materii. Nawet jeśli wiele podstawowych właściwości neutronów i protonów nie jest w pełni zrozumiałych, dostarczają one przynajmniej nowych punktów wyjścia do badań nad ich podstawowymi elementami budulcowymi i ich zachowaniem.

Odkrycia te nie tylko przynoszą korzyści badaniom fizyki cząstek i materiałów, ale mogą również dostarczyć nowych informacji na temat astrofizyki: „Patrząc na najmniejsze bloki budulcowe materii, możemy również zrozumieć zjawiska zachodzące w większych wymiarach – takie jak połączenie dwóch neutronów gwiazdy. „Mas mówi: ta fizyka ekstremów jest taka fajna” (Fizyka natury, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01345-6)

Źródło: Uniwersytet w Moguncji

10. Listopad 2021

– Nadia Podebrigar