Внутри атома есть три типа частиц: электроны, протоны и нейтроны. В области ядерной физики протоны и электроны, определяющие структуру и основные свойства атомов, были главными героями бесчисленных экспериментов. Недавний эксперимент, продолжавшийся более десяти лет, позволил нам лучше понять их внутреннюю структуру. По мнению стоящих за ним физиков, этот прорыв может помочь решить «кризис ядерного вращения».
Основные компоненты атомного ядра были идентифицированы почти столетие назад. Электроны, отрицательно заряженные частицы, располагаются в околоядерном пространстве, образуя электронную оболочку. Масса положительно заряженного протона примерно в 2000 раз больше массы электрона. Нейтроны, не имеющие заряда, встречаются наряду с протонами в атомных ядрах. Вместе они образуют нуклоны, которые сами состоят из более мелких частиц: кварков и глюонов.
существует шесть типов кварков, называемых «ароматами»: верхние кварки (u), нижние кварки (d), странные кварки (s), очаровательные кварки (c), очаровательные кварки (b) и истинные кварки (t). Протоны состоят из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтроны — из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Глюоны действуют как посредники, обеспечивая связь между кварками внутри ядра.
Тайна кварков и глюонов
Хотя существование кварков и глюонов известно, их движение и распределение в ядре нуклонов остаются малоизученными. Чтобы разгадать эти тайны, за последние несколько десятилетий была проведена серия экспериментов с использованием ускорителей частиц.
Обратите внимание: Большой адронный коллайдер обнаружил новые частицы.
В одном из ускорителей непрерывного электронного пучка (CEBAF) ядра бомбардировались электронами и наблюдалось их рассеяние в результате явления, называемого глубоким виртуальным комптоновским рассеянием (DVCS). Во время этого взаимодействия нуклон поглощает часть энергии электрона и испускает фотоны.Благодаря детектору CLAS12, использующему электронный луч с энергией 12 ГэВ, ученые смогли проанализировать эти реакции с высокой точностью. Однако до сих пор исследования в основном были сосредоточены на протонах, а нейтроны обнаружить труднее. «В стандартных конфигурациях невозможно обнаружить нейтроны под такими углами», — заявила в пресс-релизе Сильвия Николаи, директор по исследованиям Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Чтобы преодолеть это препятствие, она предложила разработать специальный прибор детектор под названием «Центральный детектор нейтронов.
Нейтронный детектор, созданный по индивидуальному заказу
В 2011 году при поддержке коллег из Лаборатории физики бесконечности Ирен Жолио-Кюри II (IJCLab), совместного подразделения CNRS, Университета Париж-Сакле и Университета Париж-Сите, а также при финансовой поддержке Французского национального института ядерных и Физика элементарных частиц (IN2P3) Никколаи инициировал создание детектора.
К лучшему пониманию GPD E
Четыре года спустя, в 2015 году, заработал центральный детектор нейтронов. Он собрал ценные данные в период с 2019 по 2020 год. Они показали, что прибор эффективно охватывает все углы, необходимые для обнаружения нейтронов. Однако мертвые зоны детектора привели к протонному загрязнению.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы отличать настоящие нейтроны от ложных сигналов. Это позволило им провести свой первый Нейтронный ДВКС. Эти измерения затем интегрируются в теоретическую модель, называемую обобщенным партонным распределением (GPD), что дает точную картину кварков и глюонов внутри нуклона.
Прорыв в понимании спина нуклона
Благодаря этому прорыву команда смогла получить GPD E, ключевой параметр для понимания вклада кварков в вращение нуклонов. «GPD E очень важен, потому что он дает нам информацию о спиновой структуре нуклонов», — объясняет Сильвия Никколаи.
Сравнивая экспериментальные результаты для протонов и нейтронов, исследователи также выделили вклад различных типов кварков на основе их аромата. Эта работа может помочь разрешить «кризис спина нуклона» (открытие того, что кварки составляют лишь небольшую часть общего спина протона, что ставит под сомнение оригинальные модели его внутренней структуры) и углубить наше понимание внутренней динамики элементарных частиц понимать.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Внутри атома находятся три типа частиц: электроны, протоны и нейтроны.