Naučnici su pokušali da reše misteriju helijumovog jezgra – i sad su zbunjeni više nego ikad

FOTO: Pixabay

Helijum je najprostiji element u periodnom sistemu elemenata sa više od jednom česticom u svom jezgru, a ipak se najnaprednija teorija i eksperimenti o njemu ne slažu, piše Live Science.

Jedan od najjednostavnijih elementa u prirodi izaziva kod naučnika veliku glavobolju nakon što je novo istraživanje pokazalo da se protoni i neutroni u atomima helijuma ne ponašaju kao što teorija sugeriše da bi trebalo. Neslaganje između teorijskih predviđanja kako se te čestice ponašaju i onoga što one zaista rade moglo bi ukazivati na novu fiziku iza standardnog modela, vladajućeg modela koji opisuje vrt subatomskih čestica.

U istraživanju objavljenom u aprilu u žurnalu Physical Review Letters, fizičari su elektronima gađali atome helijuma kako bi gurnuli helijumska jezgra u pobuđeno stanje, izazivajući privremeno naduvavanje i izduvavanje jezgra, kao prilikom disanja. Tim je zaključio da se reakcija protona i neutrona u jezgru na snop elektrona značajno razlikuje od teorijskih predviđanja – potvrđujući zaključke izvučene iz eksperimenata izvedenih pre više decenija.

Novo istraživanje dokazuje da je to neslaganje stvarno, a ne neki artefakt eksperimentalne nesigurnosti. Zaista, izgleda da naučnici jednostavno nemaju dovoljno čvrsto shvatanje fizike niske energije koja vlada interakcijama između čestica u jezgru. Jezgro helijuma sadrži dva protona i dva neutrona. Jednačine koje opisuju ponašanje helijumskog jezgra koriste se za sve vrste nuklearne i neutronske materije, tako da bi nam rešavanje nesklada moglo pomoći da razumemo druge egzotične pojave, kao što su spajanja neutronskih zvezda.

Raskorak između teorije i eksperimenta je prvo postao evidentan 2013, nakon kalkulacija o jezgru helijuma koje je predvodila Sonja Baka, tada pri kanadskom nacionalnom akceleratoru čestica TRIUMF, a sad je profesor na Univeritetu Johan Gutenberg u Majncu i koautor nove studije. Baka i kolege su koristile unapređene tehnike da izračunaju kako se protoni i neutroni u jezgru helijuma ponašaju pošto su pobuđeni snopom elektrona, što je dalo cifre značajno različite od eksperimentalnih podataka.

Međutim, eksperimentalni podaci korišćeni za poređenje dolazili su iz osamdesetih i zabeleženi su sa velikim nesigurnostima u merenju. Glavni autor nove studije Simon Kegel, nuklearni fizičar koji je izučavao jezgro helijuma za svoju doktorsku disertaciju na Univerzitetu Johan Gutenberg, istakao je da bi sadašnja oprema na njegovom univerzitetu mogla izvesti ta merenja sa vrlo visokom preciznošću.

- Mislili smo da, ako možemo to uraditi malo bolje, treba barem da pokušamo - rekao je on.

Primarna interakcija koja čestice u jezgru drži zajedno naziva se jakom interakcijom – ali izobilje efekata koji proističu iz nijansi ovih interakcija komplikuje kalkulacije o načinu interakcije tih čestica. Teoretičari su pojednostavili problem koristeći „teoriju efektivnog polja“, koja aproksimuje brojne sile koje deluju na čestice, baš kao što jpeg datoteka aproksimuje sve podatke u nekompresovanoj datoteci slike.

Unapređena verzija teorije efektivnog polja omogućava bolju aproksimaciju efekata koji komplikuju modele jakih interakcija u jezgru, ali kad su naučnici izvršili kalkulacije videli su da teorijske predikcije još više odstupaju od osmotrenih pojava nego grublje aproksimacije.

Da bi proverili koji deo neslaganja bi se mogao pripisati eksperimentalnoj nesigurnosti, Kegel i tim iz Majnca upotrebili su akcelerator elektrona MAMI da ispale snop elektrona u kontejner atoma helijuma. Elektroni su gurnuli jezgra helijuma u pobuđeno stanje opisano kao izoskalarni monopol (jednopol).

- Zamislite jezgro kao sferu koja menja svoj radijus, šireći se i skupljajući, zadržavajući sferičnu simetriju - kaže Baka.

Dva parametra su poboljšala preciznost merenja – zbijenost atoma helijuma u kontejneru i intenzitet snopa elektrona niske energije. Univerzitet u Majncu ima kapacitete da oba okrene na vrlo visoke vrednosti, rekao je Kegel.

Čak i pre nego što su završili analizu podataka bilo je jasno da ti novi podaci neće rešiti problem. Naučnici još ne znaju izvor neslaganja između teorije i eksperimenta. Međutim, Baka sugeriše da „nedostajući ili nedovoljno dobro kalibrirani delovi interakcija“ mogu biti uzrok.

Kad novi superprovodni akcelerator u Majncu (MESA) bude uključen 2024, proizvodiće snopove elektrona većeg intenziteta nego trenutni akcelerator, mada i dalje na nivou niskih energija potrebnih za ovu vrstu ekperimenta.

To je u suprotnosti sa akceleratorima kao što je Veliki hadronski sudarač, koji nastoje na snopovima veće energije radi otkrivanja egzotičnih novih čestica na drugom kraju energetskog spektra. Ipak, veći intenzitet koji će dati MESA omogućiće još veću preciznost merenja, i čak još detaljnije sagledavanje niskoenergetske granice standardnog modela.

(Telegraf Nauka/Live Science)