Почему мир вокруг не рассыпается? Недооцененная ядерная сила, которая держит материю вместе

Представьте себе Вселенную, где все, от мельчайших песчинок до огромных звезд, состоит из невидимых, но мощных строительных блоков — атомов. В сердце каждого атома находится ядро, плотно упакованное протонами и нейтронами. И вот вопрос: что именно удерживает эти частицы вместе, не давая ядру разлететься на части? Ответ, как выясняется, гораздо сложнее, чем казалось ранее.

Долгое время считалось, что основную роль в этом «скреплении» играет так называемая двухнуклонная сила — взаимодействие между двумя частицами. Однако, новое исследование, проведенное японскими учеными из Университета Кюсю, проливает свет на недооцененного «игрока» — трёхнуклонную силу. Эта сила, возникающая при одновременном взаимодействии трех частиц внутри ядра, оказывается куда более важной для стабильности материи, чем предполагалось.

Игра в мяч, где участников трое

Попробуем представить себе ядерные взаимодействия как игру в мяч. Если в случае двухнуклонной силы есть два игрока, перебрасывающиеся мячом (мезоном), то в случае трехнуклонной — игроков уже трое, и мячи перемещаются между ними по более сложной траектории. При этом, каждый из этих «игроков» не просто пассивно ловит и бросает, но ещё и вращается и движется по орбите внутри ядра. Запутано? Да, но именно эта сложность и делает трёхнуклонную силу такой интересной.

Долгое время её влияние считали незначительным по сравнению с более «простой» двухнуклонной силой. Но недавние исследования показывают обратное. Оказывается, именно трёхнуклонное взаимодействие играет ключевую роль в определении стабильности ядра. И не только! Оно также может помочь нам разгадать тайны образования тяжелых элементов в недрах звезд.

Сила в единстве, а не в количестве

В ходе исследования, ученые использовали суперкомпьютеры и передовые ядерные модели для анализа взаимодействия трех нуклонов. Они обнаружили, что когда три частицы обмениваются двумя «мячами"-пионами, они не могут двигаться и вращаться как попало. Существуют всего четыре возможные комбинации этих движений, и одна из них (так называемая «компонента ранга-1») оказалась особенно важной для стабильности ядра.

Почему именно она? Дело в том, что эта комбинация усиливает эффект, известный как спин-орбитальное расщепление. Когда частицы вращаются и обращаются в одном направлении, они находятся в состоянии с меньшей энергией, чем когда эти движения противоположны. Проще говоря, ядра «расслаиваются» на оболочки с разным энергетическим уровнем, создавая более устойчивую структуру.

И вот здесь трехнуклонная сила играет решающую роль. Она как бы «растягивает» этот энергетический зазор между оболочками, делая ядро ещё более стабильным. Представьте себе: чем больше разница в энергии, тем сложнее ядру перейти в нестабильное состояние.

Чем больше, тем сильнее

И что самое интересное, этот эффект становится более выраженным по мере увеличения размеров ядра. В углероде-12 (который состоит из 12 нуклонов), трехнуклонная сила увеличивает энергетический зазор в 2,5 раза! Это сопоставимо с влиянием двухнуклонной силы и, как предполагают ученые, этот эффект будет еще сильнее в более тяжелых элементах.

Это открытие может перевернуть наше представление об образовании тяжелых элементов в звездах. Именно благодаря этой силе, ядра становятся настолько стабильными, что их слияние становится крайне затруднительным. Ядра с «магическим числом» протонов или нейтронов, где оболочки заполнены полностью, становятся особенно устойчивыми, что требует колоссальных затрат энергии для их дальнейшего преобразования.

Не только стабильность, но и квантовая запутанность

И это еще не все! Ученые обнаружили, что трехнуклонная сила создает эффект квантовой запутанности. Если в случае двухнуклонного взаимодействия спиновые состояния частиц можно измерить по отдельности, то при трехнуклонном взаимодействии два нуклона становятся связаны друг с другом, их состояния как бы «смешиваются» до момента измерения. Это явление, хорошо известное в мире электронов, теперь наблюдается и в мире нуклонов, хотя более крупная масса этих частиц ставит перед исследователями новые вызовы.

Изучение этого феномена может привести к прорывам в квантовых технологиях, включая квантовые компьютеры.

Итак, трёхнуклонная сила — не просто «дополнение» к известным нам ядерным силам. Она — ключевой фактор стабильности материи, определяющий свойства атомных ядер и играющий важную роль в процессах, происходящих в недрах звезд. Новое исследование показывает, что наше понимание устройства Вселенной ещё не завершено, и нас ждет еще много удивительных открытий.