Почему свинец ведёт себя так не похоже на все остальные атомные ядра при столкновении с электронами? Группа физиков из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) сделала важный шаг к ответу на этот вопрос, но обнаружила, что загадка ещё глубже, чем предполагалось ранее. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Рассеяние электронов
Обычно электроны рассеиваются от атомных ядер предсказуемым образом. Одним из хорошо изученных явлений является то, что переворот спина входящих электронов должен слегка изменить картину рассеяния. Этот эффект обусловлен обменом двумя «виртуальными фотонами» между электроном и ядром.
Для большинства ядер теория точно предсказывает, насколько велик этот крошечный эффект, и десятилетия экспериментов подтвердили эти предсказания. Однако свинец всегда выделялся. Более ранние измерения, проведённые в Национальной лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, показали, что для свинца этот спин-зависимый эффект, по-видимому, полностью исчезает, что не может объяснить ни одна существующая теория.
Новые измерения
В новом эксперименте, проведённом с помощью спектрометров высокого разрешения A1 на Майнцском микротроне (MAMI), команда JGU измерила тот же процесс при другой энергии пучка и угле рассеяния. На этот раз эффект был явно присутствует и оказался неожиданно большим. Вместо того чтобы разрешить ранее обнаруженную аномалию, новые измерения усиливают её: поведение ядра свинца резко меняется в зависимости от энергии, что не учитывается современной теорией.
«Этот результат подтверждает, что загадка реальна», — говорит профессор доктор Кончеттина Сфьенти, возглавляющая проект. «Это означает, что в том, как электроны исследуют тяжёлые ядра, есть неизученная физика, и нам нужны новые теоретические идеи, чтобы понять это».
Основные выводы
Работа была выполнена в Центре совместных исследований (CRC) 1660 «Адроны и ядра как инструменты открытий». Основной задачей CRC 1660 является использование прецизионных экспериментов для выявления тонких эффектов в структуре ядра, которые могут открыть новые возможности в Стандартной модели физики элементарных частиц. Неожиданное поведение свинца теперь становится одним из самых интригующих случаев для CRC, ярким примером того, как высокоточные измерения могут выявить пробелы даже в хорошо установленной теории.
Результаты также имеют важное значение для будущего эксперимента P2 на новом ускорителе MESA, который в настоящее время строится на кампусе Майнца в рамках кластера передового опыта PRISMA++. На MESA исследователи будут измерять чрезвычайно малые эффекты при рассеянии электронов для проверки Стандартной модели с беспрецедентной точностью. Понимание роли двухфотонного обмена в тяжёлых ядрах, такого как удивительное поведение, наблюдаемое сейчас в свинце, имеет важное значение для достижения необходимой точности в P2.
«Благодаря этому новому результату от MAMI мы получаем гораздо более чёткое представление о том, что необходимо понять, прежде чем мы перейдём на следующий уровень точности в MESA», — объясняет Сфьенти. «То, что мы измеряем сегодня, напрямую формирует план развития высокоточной физики завтрашнего дня».
Предоставлено Университетом Йоханнеса Гутенберга в Майнце.