Для учёных, изучающих материю при экстремальных энергиях, понимание того, как большие атомные ядра, такие как свинец, распадаются, когда они проходят близко друг к другу — без фактического столкновения — является жизненно важным способом узнать о силах, управляющих Вселенной.
Эти редкие взаимодействия, где атомы свинца влияют друг на друга только через свои мощные электрические поля, предлагают уникальную возможность наблюдать, как энергия от лёгких частиц, называемых фотонами, может нарушать атомные структуры.
Цель исследования
Исследователи решили более подробно изучить, как протоны, которые являются положительно заряженными частицами, находящимися в ядре, высвобождаются во время этого процесса. Цель — улучшить модели, описывающие такие взаимодействия, и способствовать разработке будущих исследовательских установок, таких как Электрон-ионный коллайдер — машина следующего поколения для изучения атомных ядер.
Методы исследования
В рамках сотрудничества ALICE исследовательская группа, работающая с экспериментом на большом ионном коллайдере, крупной инициативой в области физики элементарных частиц в Европейской организации ядерных исследований, собрала данные, используя передовые системы обнаружения эксперимента на крупнейшем в мире ускорителе частиц, известном как Большой адронный коллайдер.
Они провели первое детальное исследование событий, в которых протоны испускались вместе с нейтронами, когда атомы свинца проходили близко друг к другу на высокой скорости. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review C, описывают, как различные комбинации частиц высвобождались, и сравнивают эти наблюдения с прогнозами, сделанными широко используемым инструментом моделирования, известным как модель релятивистской электромагнитной диссоциации, которая оценивает, как атомные ядра распадаются под действием электрических сил.
Результаты
В большинстве случаев эти события распада не приводили к выбросу протонов, подтверждая, что такие исходы относительно редки. Однако, когда протоны испускались, закономерности были чётко наблюдаемы. Команда обнаружила, что модель точно соответствовала наблюдаемым событиям, где не было испускания протонов или испускания нескольких протонов вместе. Тем не менее, модель, по-видимому, недооценивала частоту событий с участием одного или двух протонов.
Исследователи также проанализировали случаи, когда один протон испускался вместе с одним, двумя или тремя нейтронами, и обнаружили, что модель склонна переоценивать частоту таких событий.
Особенно примечательно, что способ испускания этих частиц, по-видимому, соответствовал созданию новых форм химических элементов. Когда высвобождались только нейтроны, образовывались различные версии свинца, называемые изотопами. Когда испускался один или несколько протонов, в результате получались таллий, ртуть и золото.
Эти выводы помогают учёным лучше понять, как компоненты атомов перестраиваются во время этих взаимодействий и какие типы новой материи могут появиться.
О сотрудничестве ALICE
Сотрудничество ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — это крупная международная исследовательская группа, базирующаяся в Европейской организации ядерных исследований (CERN). Оно занимается изучением поведения материи в экстремальных условиях, особенно свойств кварк-глюонной плазмы — состояния материи, которое, как считается, существовало сразу после Большого взрыва.
Используя мощные столкновения частиц, генерируемые Большим адронным коллайдером, ALICE исследует, как атомные ядра распадаются и переформируются при воздействии невероятно высоких температур и плотностей энергии.
Сотрудничество включает сотни учёных и инженеров из учреждений по всему миру, которые работают вместе, чтобы изучить фундаментальные строительные блоки Вселенной.
Ссылка на журнал:
S. Acharya et al., «Proton emission in ultraperipheral Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV», Physical Review C, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.054906
Об авторах:
Фото предоставлено ALICE/CERN (2022)