29 мая 2008 г.

Протон-протонное и нейтрон-нейтронное взаимодействие

В комментариях к рассказу про принцип запрета Паули и нуклоны меня спрашивали, почему нет связанных нейтрон-нейтронных и протон-протонных состояний. И по этому поводу мне подумалось вот что.

Вообще, ответ на этот вопрос упирается в конечном счете в конкретную форму нуклон-нуклонного взаимодействия. Почему она такая, какая есть, из первых принципов пока вычислить не удается. Точнее, удается, но только с помощью ресурсоемких численных расчетов (см. заметку Наступает новая эра в теоретической ядерной физике). Поэтому в низкоэнергетической адронной физике это взаимодействие параметризуют некими потенциалами довольно сложной формы. Параметры этих потенциалов подбирают, опираясь на экспериментальные данные, и вот незадача: как раз из-за того, что pp и nn не образуют связанных состояний, данные по их взаимодействиям имеют довольно большие погрешности. Из-за этого, например, неизвестно даже, какое из этих двух состояний ближе к связанному.

Дейтрон -- вот он есть, можно измерить его энергию связи и сразу же с хорошей точностью получить длину протон-нейтронного рассеяния в изосинглетном состоянии. А протон-протонное или особенно нейтрон-нейтронное взаимодействия при низких энергиях так просто не узнаешь -- для этого частицы надо сталкивать и смотреть на сечение рассеяния как функцию энергии.

Однако есть способ немножко "обмануть" природу. Да, в изолированном виде pp и nn не существуют, но бывают ситуации, в которых эти частицы в некотором смысле объединяются в пары. И причем не так, как в нормальных ядрах, где плотная ядерная среда полностью меняет это взаимодействие, а в довольно-таки свободном состоянии. И вот изучая эти ситуации, можно кое-что узнать о протон-протонном и нейтрон-нейтронном взаимодействии.

Подумал я про это потому, что в недавнем выпуске Phys.Rev.Lett. идут подряд две статьи, в которых изучаются нейтрон-нейтронные и протон-протонные корреляции в необычных ядрах. В первой статье Phys.Rev.Lett. 100, 192502 (14 May 2008) это делается с помощью необычной ядерной реакции p+11Li→9Li+3H, а во второй статье Phys.Rev.Lett. 100, 192503 (15 May 2008) -- с помощью двухпротонной радиактивности изотопа 18Ne.

Литий-11Изотоп лития-11 -- это очень интересное ядро (см. обзор Phys.Rept.231:151-199,1993). Оно состоит из "сердцевины" Li-9 и двух слабо связанных нейтронов, вращающихся на довольно большом удалении от сердцевины, которые образуют "нейтронное гало". И это при том, что один нейтрон сердцевина Li-9 удержать не может, а два нейтрона -- пожалуйста (изотоп Li-10 не существует вообще, а изотоп Li-11 живет по ядерным меркам долго, 8 миллисекунд). Так вот, необычность этой реакции состоит в том, что такое казалось бы хрупкое образование как нейтронное гало не разрушается, а целиком передается налетающему протону (а точнее, налипает на протон, потому что ядро трития уже не содержит гало). Сравнение данных с различными расчетами показало, что нейтрон-нейтронные корреляции играют принципиальную роль.

Вылет двух скоррелированных протонов из ядраВо второй статье исследуется распад возбужденного состояния 18Ne→16O+p+p и делается вывод, что примерно в трети случаев этот распад идет не через испускание двух независимых протонов, а как распад на O-16 и He-2, который тут же распадается на два протона. Правда, мне совсем не нравится обозначение He-2; оно наводит на мысль, что это какое-то метастабильное ядро, а на самом деле это просто два коррелированных протона. Просто из-за корреляций им проще вылетать сообща.

В угловом распределении вылетевших протонов это двупротонное состояние выглядело как заметный пик. Правда, на мой взгляд статистики тут что-то маловато.

Кстати, вот свежий обзор по двупротонной радиоактивности: Rep. Prog. Phys. 71 046301 (26 March 2008).

В обоих этих случаях нельзя, конечно, измерить напрямую длину nn или pp рассеяния, но возможно это можно сделать косвенно. Разные теории nn и pp связи будут давать отличающиеся предсказания для этих реакций, а значит, их сравнение с экспериментальными данныии отдаст кому-то предпочтение. Существуют, конечно, и другие методы изучать pp и nn взаимодействия, но эти два мне показались довольно красивыми.

5 комментариев:

  1. Alexander30/5/08 11:10

    Игорь, спасибо за интересную заметку! Тема важная. Почитаем оригинал.

    ОтветитьУдалить
  2. Неужели межнуклонное взаимодействие сводится к двухчастичному потенциалу от расстояния?

    ОтветитьУдалить
  3. При низких энергиях (т.е. при сохранении числа частиц) -- да. Правда потенциал получается довольно хитрый, а в некоторых вариантах даже нелокальный.

    Другое дело, что когда есть несколько нуклонов, то их взаимодействие не сводится к сумме парных взаимодействий. Но я тут говорил именно про двухнуклонные взаимодействия.

    ОтветитьУдалить
  4. Нелокальный - это как? В пространственном представлении не от значения в точке, а интегральный оператор?

    ОтветитьУдалить
  5. Типа того. Если точнее, то там обычно работают в импульсном представлении, и потенциал раскладывают по степенями (импульс делить на массу протона). Первый член разложения при фурье-преобразовании ведет себя нормально, дает юкавский потенциал (в современном его варианте), а вот последующие члены формально растут с импульсом, и при преобразовании фурье превратились бы в производные от дельта-функции. Если бы можно было их все просуммировать, получился бы какой-то интегральный оператор в координатном представлении. Но обычно так его не расписывают.

    ОтветитьУдалить