Исследователи из Университета Кюсю (Япония) раскрыли, как особая сила внутри атомного ядра – трёхнуклонное взаимодействие – влияет на ядерную стабильность. Работа, опубликованная в журнале Physics Letters B, объясняет, почему одни ядра устойчивее других, а также может помочь разобраться в процессах формирования тяжёлых элементов в звёздах.
Атомное ядро, содержащее протоны и нейтроны (нуклоны), удерживается благодаря ядерным силам. Самая мощная из них – двухнуклонная, которая притягивает нуклоны на большом расстоянии и отталкивает их на малом, предотвращая слишком тесный контакт. Однако взаимодействие трёх нуклонов одновременно остаётся плохо изученным.
Авторы исследования сравнивают ядерные силы с игрой в мяч. В двухнуклонном взаимодействии два игрока (нуклоны) перекидывают друг другу мяч – мезон, причём самый лёгкий из них, пион, отвечает за притяжение. В трёхнуклонном взаимодействии уже три нуклона передают между собой несколько мячей одновременно, при этом вращаясь и перемещаясь внутри ядра.
Ранее считалось, что трёхнуклонное взаимодействие играет второстепенную роль. Однако недавние исследования указывают на его значительное влияние на стабильность ядра. Учёные из Университета Кюсю провели суперкомпьютерные симуляции и выяснили, что обмен пионами между тремя нуклонами ограничивает их движение и вращение, оставляя только четыре возможных комбинации. Ключевую роль в стабилизации играет одна из них – так называемый “ранг-1”.
Стабильность ядер увеличивается за счёт усиления механизма, известного как спин-орбитальное расщепление. Если нуклоны вращаются и движутся по орбите в одном направлении, их энергия снижается. Если же направления противоположны, ядро оказывается в более высокоэнергетическом состоянии. Разница в уровнях энергии создаёт прочную структуру ядра.
Моделирование показало, что трёхнуклонная сила увеличивает разрыв между энергетическими уровнями, делая ядро устойчивее. Этот эффект особенно заметен у тяжёлых элементов. Например, у углерода-12, состоящего из 12 нуклонов, разница в уровнях увеличилась в 2,5 раза. Учёные предполагают, что у более тяжёлых элементов эффект будет ещё сильнее.
Помимо влияния на стабильность ядер, трёхнуклонная сила может объяснить процессы звёздного нуклеосинтеза. Чем сильнее эта сила, тем труднее ядру захватывать новые нейтроны, необходимые для образования более тяжёлых элементов. Если ядро уже содержит “магическое” число протонов или нейтронов (полностью заполненные оболочки), оно становится крайне устойчивым, что усложняет дальнейшее слияние.
Также исследователи обнаружили, что трёхнуклонное взаимодействие приводит к квантовой запутанности – состоянию, при котором спины двух из трёх нуклонов оказываются в суперпозиции до измерения. Подобные эффекты ранее наблюдались у электронов, но для массивных нуклонов они представляют особый интерес и могут повлиять на будущие исследования в области квантовых технологий, включая квантовые вычисления.