Физики представили доказательства новой концепции ядерных сил

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ имени М. В. Ломоносова представили доказательства новой теории ядерных сил. Она описывает взаимодействие нуклонов на коротких и средних расстояниях как в пустом пространстве, так и внутри атомных ядер и впервые позволяет связать эффекты квантовой хромодинамики с явлениями ядерной физики. Результаты исследования были опубликованы в серии статей в международных журналах, а также в новом номере журнала «Ядерная физика». Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

Современная физика принимает в качестве основной теоретической конструкции так называемую стандартную модель, включающую в себя все элементарные частицы, и положение о четырех типах взаимодействия. Два из этих четырех типов сил известны большинству еще со школы — это гравитация и электромагнитное взаимодействие. Гравитация действует между всеми материальными телами, электромагнитное взаимодействие возникает между электрически заряженными частицами. Но картина мира была бы неполной без слабого и сильного взаимодействия. Слабое взаимодействие позволяет частицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга — без него не было бы, например, термоядерных реакций на Солнце. Сильное взаимодействие — это то, благодаря чему одноименно заряженные нуклоны (протоны) не разлетаются, а удерживаются вместе с нейтронами в ядрах атомов.

Принципиальная природа сильного взаимодействия физикам понятна, но вот точную теоретическую модель ядерных сил между нуклонами создать пока не удалось. Большинство существующих подходов имеет своим истоком знаменитую модель Юкавы. Японский физик Хидэки Юкава в 1935 году предположил, что сильное взаимодействие осуществляется по аналогии с электромагнитным с помощью некоторого неизвестного в то время поля и его квантов — мезонов. Через несколько лет мезоны действительно были обнаружены, а Юкава получил Нобелевскую премию. Однако на сегодняшний день стало очевидно, что у модели Юкавы есть много внутренних противоречий, указывающих на ее неприменимость в области средних и малых межнуклонных расстояний.

Для количественного описания нуклон-нуклонного взаимодействия сегодня применяют в основном киральную теорию возмущений, однако она справедлива лишь для определенного диапазона энергий. При более высоких энергиях теорию нужно дополнять, например, кварковой моделью, то есть описывать нуклон-нуклонное взаимодействие с помощью взаимодействия между кварками — составными частицами нуклонов. Такие попытки предпринимались еще 50 лет назад, но трудности расчетов по такой гибридной модели затормозили развитие этого направления. Авторы статьи предложили новую теорию, которая объединяет основные эффекты кварковой модели и обходится при этом без детального описания всей сложности многокварковой динамики.

Ученые из МГУ предложили описывать нуклон-нуклонное взаимодействие как суперпозицию двух эффектов — обычного (для модели Юкавы) обмена мезонами на далеких расстояниях и дибарионного резонанса на коротких и средних расстояниях. Согласно дибарионной концепции ядерных сил, столкновение двух нуклонов происходит так: сначала нуклоны свободно движутся навстречу друг другу, на некотором расстоянии происходит обмен мезонами, затем нуклоны продолжают сближаться и подходят близко друг к другу. Каждый нуклон состоит из трех кварков, и, когда нуклоны перекрываются, образуется единый шестикварковый мешок, окруженный мезонным полем — дибарион. Природа взаимодействия нуклонов описывается в новом подходе уже не обменом мезонами, а динамикой составляющих их кварков и особых полей, определяющих взаимодействие кварков, — квантовой хромодинамикой.

«Наши результаты ясно показывают, что основным механизмом ядерных сил на малых и средних расстояниях, по крайней мере в рассмотренных нами парциальных каналах, является образование промежуточных дибарионных резонансов, а вовсе не прямой мезонный обмен между изолированными нуклонами. Важным подтверждением этого вывода является не только хорошее описание нуклон-нуклонного рассеяния вплоть до энергий, весьма высоких по сравнению с тем, что дают традиционные подходы, но и удовлетворительное согласие полученных масс и ширин дибарионов с экспериментально найденными значениями», — говорит первый автор статьи, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ профессор Владимир Кукулин.

Сама по себе концепция дибарионных резонансов не нова. Впервые дибарионные резонансы были предсказаны в 1964 году Дайсоном и Ксуонгом, а экспериментально обнаружены даже еще раньше — в 1956 году в Дубне. Дибарионную концепцию ядерных сил разрабатывают в НИИ ядерной физики МГУ 20 лет — впервые идея была предложена в 1998 году Владимиром Кукулиным и далее активно развивалась им в соавторстве с Владимиром Померанцевым, Марией Платоновой и Ольгой Рубцовой. Однако надежные экспериментальные данные, позволяющие проверить новую теорию, появились только в последние годы.

«Получающаяся картина ядерных сил впервые позволяет связать между собой фундаментальные хромодинамические аспекты сильных взаимодействий и эффективные мезон-нуклонные аспекты задачи и, таким образом, представляет собой естественный мост между фундаментальной квантовой хромодинамикой и ядерной физикой. Такой подход позволяет понять глубокую взаимосвязь между основными эффектами квантовой хромодинамики и базовыми явлениями ядерной физики», — добавляют авторы.

Новая концепция ядерных сил позволяет предсказать свойства ядерной материи при высокой плотности, которая возникает при вспышке сверхновых и имеется внутри нейтронных звезд.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.