У ядрі атома науковці вперше сполучили два протони та екзотичний мезон – частинки, що утворюються на нетривалий час, і складаються з кварка й антикварка. Це з’єднання хоч теоретично і передбачали, але експериментально ніколи не виявляли – дотепер. Лише обстрілявши гелій-3 енергетичними К-мезонами, вдалося створити таке мезонне поєднання в атомному ядрі.
Нове атомне ядро: K-мезон (червоний) викидає нейтрон (зелений) з ядра гелію-3 й утворює зв'язок із двома протонами (синіми). Зображення: ÖAW/Harald Ritsch.
Мезони – нестабільні «сестри» звичайних ядерних частинок, зокрема протонів і нейтронів. Адже замість кварків вони складаються з кварка та антикварка. У результаті вони гаснуть вже через частки секунди після свого виникнення. Проте існують певні типи мезонів, які живуть довше – каони, або К-мезони. Крім верхнього і нижнього кварків, вони містять ще й дивний кварк або його античастинку.
Цікаво у мезонах те, що, згідно з теорією, ці короткотривалі частинки в ядрі атома виникають і знову зникають дуже спонтанно – при цьому на мить створюють зв’язки з елементами атомного ядра. Якщо ці приховані взаємозв’язки справді існують, їхнє вивчення могло б надати цінні свідчення про сильну взаємодію та її частинки-складові, глюони.
«Через це впродовж останніх 100 років вчені досліджували чимало мезонів, аби побачити, чи існує такий механічний стан зв’язаності», – пояснили Масагіко Івасакі (Masahiko Iwasaki) та його колеги з японського Інституту фізико-хімічних досліджень RIKEN. Але дотепер усі пошуки були марними.
Тож досліджувати взялися виключно К-мезони. Адже вони живуть трохи довше, ніж інші мезони, тож найбільше придатні для дослідження цього зв’язку. Крім того, існують негативно заряджені К-мезони, які можуть добре сполучатися з протонами.
В експериментах як вихідний матеріал науковці використали гелій-3 – ізотоп гелію з двома протонами й одним нейтроном в атомному ядрі. Цю ціль вони обстріляли енергетичним променем з негативно заряджених К-мезонів. Промінь вибив нейтрон із ядра гелію, віддача сильно пригальмовувала деякі каони. Так у кількох атомних ядрах каон став на місце нейтрона.
Вирішальним виявилося те, що на підставі даних розпаду, отриманих з цього експерименту, можна дійти висновку: в ядрі гелію утворюється тимчасовий зв’язок між двома протонами та К-мезоном.
«Найпростіше та найочевидніше пояснення – це виникнення мезонного стану зв’язаності: системи, що складається з негативного К-мезона й двох протонів, – сказав Івасакі з колегами. – При цьому К-мезон стабілізує присутність обох протонів».
Якщо це припущення підтвердиться, то виявиться, що вчені вперше створили екзотичну частинку з двох елементів ядра та мезона – цілком нову форму матерії. «Важливо, що в цій праці ми довели: в ядерній матерій мезони можуть існувати як справжні частинки, – сказав Масагіко Івасакі. – Це відриває цілком новий погляд на атомне ядро».
Учені пояснюють, що ці екзотичні частинки надають цінні свідчення про походження маси атомного ядра, також вони можуть розповісти, як виникає екзотична матерія в центрі нейтронних зір.
У наступних експериментах Івасакі і його команда хочуть спробувати створити такі мезонні зв'язки у важчих від гелію атомних ядрах.
Nadja Podbregar
Physiker erzeugen neuartige Kernmaterie
RIKEN, 30/01/2019
Зреферувала С. К.