Новые измерения показывают, что структура свинца существенно меняется под воздействием энергии, указывая на недостающие элементы в ядерной теории.
Когда учёные облучают атомные ядра пучками электронов, результирующие картины рассеяния обычно ведут себя точно так, как предсказывает теория. Это одно из главных преимуществ современной ядерной физики.
Это связано с тем, что даже небольшие эффекты, например, происходящие при перевороте спина электрона, можно измерить и сопоставить с уравнениями с поразительной точностью, используя этот подход. Однако свинец, один из самых тяжёлых стабильных элементов на Земле, уже давно нарушает эти правила.
Предыдущие эксперименты в Лаборатории Джефферсона в США показали, что слабый спин-зависимый эффект, ожидаемый при обмене двумя виртуальными фотонами, по-видимому, полностью исчезал при столкновении электронов со свинцом. Ни одна теория не могла объяснить это исчезновение.
Новый эксперимент, проведенный физиками из Университета Иоганна Гутенберга (JGU) в Майнце, не только подтверждает, что внутри ядер свинца происходит что-то странное, но и показывает, что загадка еще глубже, чем кто-либо предполагал.
«Наш результат подтверждает реальность загадки, и это означает, что существует неизученная физика в том, как электроны исследуют тяжелые ядра, и нам нужны новые теоретические идеи, чтобы ее понять», — сказала доктор Кончеттина Сфиенти, один из авторов исследования и профессор Университета Йоханнесбурга.
Ядра оказались более крупной аномалией.
Чтобы глубже проникнуть в тайну ядер свинца, исследователи обратились к Майнцскому микротрону (MAMI) — высокоточному ускорителю электронов, оснащенному одними из самых чувствительных спектрометров в мире.
MAMI позволяет физикам с большой точностью контролировать энергию и угол электронного пучка, что важно при попытке обнаружить тонкие, связанные со спином изменения в картинах рассеяния.
Эффект, который они искали, незначителен, но хорошо изучен для большинства ядер. Когда электроны отскакивают от ядра, они взаимодействуют не только посредством обмена одним фотоном, но иногда и посредством одновременного обмена двумя виртуальными фотонами. Этот редкий процесс немного изменяет рассеяние при перевороте спина электрона.
Масштаб этого зависящего от спина сдвига предсказывался и подтверждался на протяжении десятилетий, за исключением свинца, где предыдущие данные показывали, что эффект был по сути нулевым.
Группа исследователей из Университета Ямайки (JGU) повторила измерение, изменив энергию пучка и угол рассеяния — две переменные, влияющие на реакцию ядра. Используя спектрометры A1 MAMI, способные регистрировать мельчайшие изменения импульса и угла, они измерили, насколько сильно меняется рассеяние при переключении спина электронов.
Удивительно, но на этот раз эффект не исчез. Наоборот, он проявился отчётливо и гораздо сильнее, чем ожидалось. Вместо того чтобы разрешить прежнее противоречие, новое измерение обострило его, показав, что поведение свинца радикально меняется с энергией, и ни одна современная теоретическая модель не предсказывает этого.
В более легких ядрах спиновый эффект ведет себя плавно и предсказуемо при изменении энергий; в свинце он колеблется неожиданным образом.
«Благодаря новому результату MAMI мы получаем гораздо более чёткое представление о том, что необходимо понять, прежде чем переходить на следующий уровень. То, что мы измеряем сегодня, напрямую формирует дорожную карту высокоточной физики завтрашнего дня», — сказал Сфиенти.
Предупреждение для будущих экспериментов
Значение этого открытия выходит далеко за рамки свинца. Предстоящий эксперимент P2 на MESA, новом ускорителе, строящемся в Майнце, позволит измерить мельчайшие изменения в рассеянии электронов, чтобы проверить Стандартную модель с непревзойденной точностью.
Чтобы достичь такого уровня точности, физикам необходимо детально изучить эффекты двухфотонного обмена, особенно в тяжёлых ядрах, где аномалии сейчас кажутся наиболее сильными. Новый результат служит важным предупреждением: без более глубокого теоретического понимания того, что происходит внутри свинца, будущие прецизионные эксперименты могут неверно интерпретировать полученные данные.
Исследование также выявило ряд ограничений. Учёные до сих пор не знают, почему свинец ведёт себя так по-разному, проявляется ли этот эффект в других тяжёлых ядрах и какая часть ядерной структуры отвечает за резкое изменение энергии пучка. Текущие измерения, хотя и точны, охватывают лишь определённые углы и энергии, оставляя многие области неисследованными.
Далее группа планирует расширить измерения на большее количество энергий, сравнить свинец с другими тяжелыми элементами и поработать с теоретиками над созданием моделей, которые смогут объяснить новое наблюдаемое поведение.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
