Новое исследование объясняет механизм устойчивости тяжелых элементов.
Что если стабильность атомов — основа всей материи во Вселенной — определяется невидимой, малоизученной силой? Представьте себе субатомный мир, где крошечные частицы ведут сложную игру, передавая друг другу невидимые «мячи» энергии, скрепляя ядра и создавая элементы, из которых состоит все вокруг нас.
До недавнего времени ученые считали, что главное в этом процессе — взаимодействие пар частиц, так называемая двухнуклонная сила. Но исследователи из Университета Кюсю (Япония) обнаружили, что за устойчивость атомных ядер отвечает куда более сложный механизм — трехнуклонное взаимодействие. Этот эффект, ранее считавшийся несущественным, может объяснить, почему одни элементы формируются и остаются стабильными, а другие распадаются.
В своей работе японские ученые применили сложные вычислительные модели и суперкомпьютерные симуляции, чтобы понять, как именно трехнуклонная сила укрепляет атомные ядра. Оказалось, что когда в ядре одновременно взаимодействуют три нуклона (протоны и нейтроны), их движение и энергия перераспределяются так, что ядро становится стабильнее.
Представьте игру в «догонялки» между частицами: если в обычном случае два игрока просто перебрасывают мяч (то есть взаимодействуют друг с другом), то здесь в игру вступает третий, усложняя процесс. Нуклоны не просто передают друг другу частицы-мезоны, но и вращаются, движутся в разных направлениях, влияя на общую структуру ядра.
Раньше считалось, что этот эффект слишком слаб, чтобы оказывать значительное влияние, но суперкомпьютерные расчеты показали обратное. В более тяжелых элементах, таких как углерод-12, трехнуклонное взаимодействие увеличивает энергетический разрыв между уровнями в ядре в 2,5 раза. Это значит, что с ростом количества нуклонов ядро становится устойчивее, что важно для понимания процессов звездного нуклеосинтеза — рождения тяжелых элементов во Вселенной.
Это открытие объясняет, почему одни элементы формируются и существуют в природе, а другие нет. Оно меняет представления о том, как устроены атомные ядра, и может повлиять на изучение ядерного синтеза. Более того, ученые обнаружили, что трехнуклонное взаимодействие создает эффект квантовой запутанности между частицами, что открывает новые перспективы в квантовых исследованиях, в том числе в области вычислений.
Исследователи планируют изучить этот эффект на более тяжелых элементах. Возможно, впереди еще больше открытий, которые помогут разобраться в устройстве материи, из которой состоит все вокруг нас.