Одной из интереснейших задач ядерной физики является изучение ядерных сил — самых интенсивных сил природы. В течение многих лет умы ученых занимало объяснение свойств ядер. В первую очередь для этого необходимы знания процесса взаимодействия между парой нуклонов.
Фото: Виль Равилов, Коммерсантъ
Фото: Виль Равилов, Коммерсантъ
Вскоре после открытия английским физиком Джеймсом Чедвиком нейтрона, в 1932 году немецкий ученый Вернер Гейзенберг сформулировал принцип зарядовой независимости ядерных сил, согласно которому взаимодействие между любой парой нуклонов (то есть протонов и нейтронов, обозначим эти пары как pp, np, nn) аналогично.
Отсюда же вытекает «принцип зарядовой симметрии» — равенство pp (протон-протонных) и nn (нейтрон-нейтронных) сил в синглетном состоянии. Но из-за различия масс, зарядов и магнитных моментов u- и d-кварков, составляющих протоны и нейтроны, возникает, согласно современным представлениям, нарушение этого принципа. Для исследования меры нарушения было накоплено большое количество экспериментальных данных, особенно по pp- и np-взаимодействиям, проведен их тщательный анализ.
Более неоднозначная ситуация возникает, когда мы говорим об nn-взаимодействии. Ввиду отсутствия нейтронной мишени данные об этом взаимодействии получают в основном из анализа реакций с двумя нейтронами в конечном состоянии. Наиболее перспективной реакцией в этом смысле является реакция развала дейтрона нейтронами (ndpnn), при этом дейтериевая мишень используется как квазинейтронная.
Анализ последних данных по реакции ndpnn обнаружил большое расхождение между теоретическими предсказаниями и измеренными сечениями этой реакции в различных конфигурациях. Ученые разных стран, например, США (эксперимент TUNL), Германии (эксперимент BONN) изучали эту реакцию и в, казалось бы, одних и тех же условиях получили разные результаты.
С целью изучения этих процессов и наработки экспериментальных данных в Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) на нейтронном канале РАДЭКС создана установка для исследования реакции nd-развала, позволяющая проводить эксперименты в широкой области энергии первичных нейтронов (10–60 Мегаэлектронвольт).
nd-развал — это такая реакция, при которой нейтроном стреляют по изотопу водорода, дейтрону, и он разваливается. Получаются три частицы в конечном состоянии: два нейтрона и один протон. Другая аналогичная реакция — это dd-развал: по дейтрону бьют дейтроном, и в конечном состоянии образуются два нейтрона и два протона.
Несмотря на долгую историю исследования нуклон-нуклонного взаимодействия, остаются связанные с ним нерешенные проблемы. Одной из таких проблем посвящена статья заведующего Лабораторией атомного ядра Института ядерных исследований РАН Евгения Сергеевича Конобеевского и его соавторов, вышедшая в последнем номере журнала «Ядерная физика».
Ученые провели серию экспериментов, которые начались еще в 2010 году и проводились на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН в Троицке. Первым делом физики взялись за изучение nd-развала при энергии 40 Мегаэлектронвольт (МэВ). В 2016 году исследователи, совместно с коллегами из НИИЯФ МГУ, провели эксперимент по dd-развалу при энергии 15 МэВ. Следующие серии экспериментов шли в 2019–2020 годах, и в марте 2022 года была опубликована статья, в которой проливается свет на вопрос о силах взаимодействия между нуклонами (то есть протонами и нейтронами в атомном ядре).
За последнее столетие изучением нуклон-нуклонного взаимодействия занималось огромное число физиков. Интригует следующий момент: взять два пучка протонов и столкнуть их в ускорителе можно. В том же ЦЕРНе это делают, только при более высоких энергиях.
Можно сделать эксперимент по рассеянию нейтрона на протоне (с водородной мишенью), а вот сделать эксперимент по рассеянию нейтрона на нейтроне так никто и не смог.
Есть две перспективные реакции, в которых два нейтрона образуются в конечном состоянии. Первая — это захват остановившихся пионов на дейтроне (-dnn), в результате которого образуются два нейтрона и один гамма-квант. Эта реакция большинством физиков воспринималась как наиболее информативная, поскольку выходной канал содержит только две сильновзаимодействующие частицы и не подвержена влиянию трехнуклонных сил.
И вторая реакция, которую и рассматривали ученые ИЯИ РАН,— это реакция nd-развала.
Почему это интересно? Дело в том, что все эксперименты по исследованию реакции nd-развала, которые проводили физики во всем мире, давали довольно различные результаты по длине нейтрон-нейтронного рассеяния. В данной статье физики выдвигают и обосновывают предположение о том, что результат зависит от энергий, при которых проводились исследования данных реакций.
Совместно с физиком-теоретиком Владимиром Кукулиным из НИИЯФ МГУ было сделано предположение, что поскольку в этих экспериментах начальные энергии различны, то здесь может проявляться дополнительное взаимодействие, зависящее от первичной энергии.
В рамках дибарионной модели ядерных сил, основным автором которой является Владимир Кукулин, введен новый механизм — обмен скалярным мезоном между нуклоном и дибарионом. Такое дополнительное взаимодействие может приводить к изменению величины длины нейтрон-нейтронного рассеяния и, естественно, будет зависеть от относительной скорости разлета фрагментов: nn-пары и протона (или nn-пары и дипротона в случае реакции dd-развала).
Физики ИЯИ РАН сделали предположение, что степень этого изменения может зависеть от расстояния, на которое пара нейтронов и протон разлетаются во время взаимодействия, которое, в свою очередь, зависит от энергии падающей частицы и типа реакции.
С общей точки зрения можно предположить, что при более высокой энергии реакции nd-развала время, когда все три частицы находятся близко друг к другу, меньше, и, следовательно, вклад трехнуклонных сил также становится меньше.
В 2019 году ученые рассматривали столкновение нейтронов с дейтронами при более высоких энергиях — 60 МэВ. А в 2020 году, наоборот, при самых низких энергиях за все время наблюдений: это 8 и 11 МэВ. Эти эксперименты подтвердили предположения ученых.
Правильное значение длины нейтрон-нейтронного рассеяния имеет фундаментальное значение для ядерной физики в целом, а также для многих конкретных проблем, таких как существование мультинейтронов, степень нарушения эффектов зарядовой независимости и зарядовой симметрии и т. д.