В результате недавнего исследования, проведённого учёными из Университета Кюсю в Японии, были получены новые данные о влиянии особого типа силы внутри атомного ядра на ядерную стабильность. Эта сила, известная как «трёхнуклонное взаимодействие», оказывает значительное воздействие на устойчивость ядер и может помочь объяснить астрофизические процессы, такие как образование тяжёлых элементов внутри звёзд.
Исследование раскрывает механизм, благодаря которому трёхнуклонное взаимодействие усиливает ядерную стабильность. Учёные использовали теорию и суперкомпьютерное моделирование для изучения обмена пионами между тремя нуклонами.
Токуро Фукуи, ведущий автор исследования и доцент факультета искусств и наук Университета Кюсю, объясняет ядерные силы, сравнивая их с игрой в мяч. В случае двухнуклонного взаимодействия два «игрока» (нуклона) обмениваются «мячом» (мезоном). При трёхнуклонном взаимодействии в игре участвуют уже три «игрока», которые одновременно бросают и ловят «мячи», а также вращаются и движутся по орбите внутри ядра.
Результаты исследования показали, что при обмене двумя пионами между тремя нуклонами возможны только четыре комбинации их движения и вращения. Одна из этих комбинаций, названная «компонентом ранга 1», играет ключевую роль в повышении ядерной стабильности.
Учёные обнаружили, что трёхнуклонное взаимодействие усиливает процесс, известный как спин-орбитальное расщепление. Когда нуклоны вращаются и движутся по орбите в одном направлении, их выравнивание приводит к снижению энергии. Когда же нуклоны вращаются и движутся в противоположных направлениях, они существуют в состоянии с более высокой энергией. Это приводит к «расщеплению» нуклонов на различные энергетические оболочки, что обеспечивает ядру стабильную структуру.
Суперкомпьютерное моделирование показало, что трёхнуклонное взаимодействие увеличивает энергетическое состояние нуклонов с выровненным спином и орбитой, но ещё больше повышает энергию нуклонов с противоположными спинами и орбитами. Это приводит к увеличению энергетического разрыва между оболочками, делая ядра ещё более стабильными.
Этот эффект становится более выраженным в более тяжёлых ядрах, содержащих больше нуклонов. В самом тяжёлом исследованном элементе – углероде-12, содержащем 12 нуклонов, – трёхнуклонное взаимодействие привело к увеличению энергетического разрыва в 2,5 раза.
Исследователи также обнаружили, что трёхнуклонное взаимодействие создаёт квантовую запутанность, где два из трёх нуклонов имеют спины, существующие одновременно в обоих состояниях до момента измерения. Это открытие может иметь важные последствия для будущих исследований, включая развивающиеся технологии, такие как квантовые вычисления.
Понимание трёхнуклонного взаимодействия может сыграть ключевую роль в объяснении того, как тяжёлые элементы образуются в результате слияния более лёгких элементов в звёздах. По мере того как это взаимодействие усиливается в более тяжёлых ядрах, оно увеличивает их стабильность, создавая большие энергетические разрывы между ядерными оболочками. Эта стабильность затрудняет захват ядром дополнительных нейтронов, необходимых для образования более тяжёлых элементов.
Токуро Фукуи подчёркивает, что знание энергетического разрыва между различными ядерными оболочками является важной информацией для учёных, пытающихся предсказать образование тяжёлых элементов. Для ядер с «магическим числом» протонов или нейтронов, полностью заполняющих свои оболочки, могут потребоваться условия, обеспечивающие колоссальные количества энергии для продолжения процесса слияния. Открытие квантовой запутанности нуклонов, вызванной трёхнуклонным взаимодействием, также открывает новые возможности для исследований в области квантовых технологий. Хотя большая масса нуклонов по сравнению с электронами создаёт дополнительные сложности, эти различия могут привести к новым применениям в квантовых вычислениях и других передовых технологиях.
Учёные планируют продолжить исследования, изучая влияние трёхнуклонного взаимодействия на элементы тяжелее углерода-12, где ожидается ещё более сильный эффект. Эти будущие исследования могут привести к более глубокому пониманию процессов, происходящих в звёздах, и помочь объяснить распространённость различных элементов во Вселенной.