Физики впервые измерили трёхнуклонные взаимодействия в атомных ядрах

Эксперимент проводился в зале А Джефферсоновской лаборатории. Автор: Jefferson Lab

Хотя атомные ядра часто изображают как статичные скопления протонов и нейтронов (нуклонов), эти частицы на самом деле находятся в постоянном движении. Нуклоны обладают широким спектром импульсов, а иногда даже вступают в кратковременное взаимодействие через сильное ядерное взаимодействие. Такое взаимодействие между двумя нуклонами может увеличить импульс обоих и сформировать высокоимпульсные нуклонные пары — так называемые двухнуклонные короткокоррелированные состояния.

Эксперименты в Национальной ускорительной лаборатории Томаса Джефферсона (США) уже изучали эти пары, чтобы понять, как протоны и нейтроны образуют связи на коротких расстояниях. Однако до сих пор не удавалось обнаружить короткокоррелированные состояния с участием трёх и более нуклонов.

Теперь, в исследовании, опубликованном в Physics Letters B, учёные впервые измерили сигнатуру трёхнуклонных короткокоррелированных состояний, используя данные эксперимента 2018 года.

«Мы распутываем ядро, чтобы найти пробелы в нашем понимании», — говорит Джон Аррингтон, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Мы знаем, что трёхнуклонное взаимодействие важно для описания свойств ядра, хотя его вклад очень мал. До сих пор не было никаких указаний на то, что мы вообще наблюдали их. Эта работа даёт первый намёк».

Зеркальные ядра упростили поиск

Эксперимент проводился на установке CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) в Джефферсоновской лаборатории. Чтобы получить доступ к короткокоррелированным нуклонам, учёные направили пучок электронов на ядра. Детектирование свойств электронов после взаимодействия позволило определить скорость движения нуклонов.

Для исследования использовались два лёгких ядра: гелий-3 (два протона и один нейтрон) и тритий (два нейтрона и один протон). Эти «зеркальные ядра» с противоположным составом позволили упростить анализ, поскольку в них участвуют ровно три нуклона.

«Мы пытаемся показать, что можно изучать трёхнуклонные корреляции в Джефферсоновской лаборатории, даже несмотря на ограничения по энергии», — поясняет Шуджи Ли, ведущий исследователь эксперимента. «Эти лёгкие системы дают нам чёткую картину — ради этого мы пошли на сложности с радиоактивной мишенью».

От атомных ядер к нейтронным звёздам

Полученные результаты указывают на возможное обнаружение трёхнуклонных корреляций, но учёным требуется больше данных для подтверждения. Понимание этих взаимодействий важно не только для ядерной физики, но и для изучения нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся звёзд, где могут происходить аналогичные процессы.

«Гораздо проще изучать трёхнуклонные корреляции в лаборатории, чем в нейтронной звезде», — шутит Аррингтон.

Подробнее: S. Li et al, Inclusive studies of two- and three-nucleon short-range correlations in ³H and ³He, Physics Letters B (2025). DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139734