De flesta vanliga materia hålls samman av ett osynligt subatomärt lim känt som den starka kärnkraften - en av de fyra grundläggande krafterna i naturen, tillsammans med gravitationen, elektromagnetism, och den svaga kraften. Den starka kärnkraften är ansvarig för trycket och dragningen mellan protoner och neutroner i en atoms kärna, som hindrar en atom från att kollapsa i sig själv.

I atomkärnor, de flesta protoner och neutroner är tillräckligt långt ifrån varandra för att fysiker exakt kan förutsäga deras interaktioner. Dock, dessa förutsägelser utmanas när de subatomära partiklarna är så nära att de praktiskt taget ligger ovanpå varandra.

Även om sådana interaktioner på ultrakorta avstånd är sällsynta i de flesta materia på jorden, de definierar kärnorna hos neutronstjärnor och andra extremt täta astrofysiska objekt. Sedan forskare först började utforska kärnfysik, de har kämpat för att förklara hur den starka kärnkraften utspelar sig på så ultrakorta avstånd.

Nu har fysiker vid MIT och på andra håll för första gången karakteriserat den starka kärnkraften, och växelverkan mellan protoner och neutroner, på extremt korta avstånd.

De utförde en omfattande dataanalys av tidigare experiment med partikelacceleratorer, och fann att när avståndet mellan protoner och neutroner blir kortare, en överraskande övergång sker i deras interaktioner. Där på stora avstånd, den starka kärnkraften verkar främst för att attrahera en proton till en neutron, på mycket korta avstånd, kraften blir i huvudsak urskillningslös:interaktioner kan inträffa inte bara för att locka en proton till en neutron, men också att stöta bort, eller tryck isär neutronpar.

"Detta är den första mycket detaljerade titten på vad som händer med den starka kärnkraften på mycket korta avstånd, säger Or Hen, biträdande professor i fysiker vid MIT. "Detta har enorma konsekvenser, främst för neutronstjärnor och även för förståelsen av kärnsystem som helhet."

Hen och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidskriften Natur . Bland hans medförfattare finns förste författaren Axel Schmidt Ph.D. '16, en före detta doktorand och postdoc, tillsammans med doktoranden Jackson Pybus, student Adin Hrnjic och ytterligare kollegor från MIT, det hebreiska universitetet, Tel-Aviv universitet, Old Dominion University, och medlemmar av CLAS Collaboration, en multiinstitutionell grupp av forskare involverade i CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), en partikelaccelerator vid Jefferson Laboratory i Newport News, Virginia.

Stjärnfall ögonblicksbild

Interaktioner på ultrakort avstånd mellan protoner och neutroner är sällsynta i de flesta atomkärnor. För att upptäcka dem krävs atomer med ett stort antal extremt högenergielektroner, varav en bråkdel kan ha en chans att sparka ut ett par nukleoner (protoner eller neutroner) som rör sig med hög fart – en indikation på att partiklarna måste interagera på extremt korta avstånd.

"För att göra dessa experiment, du behöver vansinnigt högströms partikelacceleratorer, " säger Hen. "Det är först nyligen där vi har detektorkapacitet, och förstår processerna tillräckligt väl för att utföra den här typen av arbete."

Hen och hans kollegor letade efter interaktionerna genom att bryta data som tidigare samlats in av CLAS, en partikeldetektor i husstorlek vid Jefferson Laboratory; JLab-acceleratorn producerar strålar av elektroner med enastående hög intensitet och hög energi. CLAS-detektorn var i drift från 1988 till 2012, och resultaten av dessa experiment har sedan dess varit tillgängliga för forskare att titta igenom efter andra fenomen som ligger begravda i data.

I deras nya studie, forskarna analyserade en mängd data, uppgår till att några kvadriljoner elektroner träffar atomkärnor i CLAS-detektorn. Elektronstrålen var riktad mot folier gjorda av kol, leda, aluminium, och järn, var och en med atomer med olika förhållanden mellan protoner och neutroner. När en elektron kolliderar med en proton eller neutron i en atom, energin vid vilken den sprids bort är proportionell mot energin och rörelsemängden hos motsvarande nukleon.

"Om jag vet hur hårt jag sparkade något och hur snabbt det kom ut, Jag kan rekonstruera det initiala momentumet för saken som sparkades, " förklarar Hen.

Med detta allmänna tillvägagångssätt, teamet tittade igenom quadrillion elektronkollisioner och lyckades isolera och beräkna rörelsemängden för flera hundra par nukleoner med hög rörelsemängd. Hen liknar dessa par med "neutronstjärnedroppar, "som deras momentum, och deras antagna avstånd mellan varandra, liknar de extremt täta förhållandena i kärnan av en neutronstjärna.

De behandlade varje isolerat par som en "snapshot" och organiserade de flera hundra ögonblicksbilderna längs en momentumfördelning. I den lägre delen av denna distribution, de observerade ett undertryckande av proton-protonpar, indikerar att den starka kärnkraften främst verkar för att attrahera protoner till neutroner vid medelhögt momentum, och korta avstånd.

Längre längs distributionen, de observerade en övergång:Det verkade finnas mer proton-proton och, genom symmetri, neutron-neutronpar, Föreslår det, med högre fart, eller allt kortare avstånd, den starka kärnkraften verkar inte bara på protoner och neutroner, men också på protoner och protoner och neutroner och neutroner. Denna parningskraft anses vara avvisande till sin natur, vilket innebär att på korta avstånd, neutroner interagerar genom att kraftigt stöta bort varandra.

"Denna idé om en frånstötande kärna i den starka kärnkraften är något som kastas runt som denna mytiska sak som existerar, men vi vet inte hur vi ska ta oss dit, som den här portalen från en annan värld, " säger Schmidt. "Och nu har vi data där denna övergång stirrar oss i ansiktet, och det var verkligen överraskande."

Forskarna tror att denna övergång i den starka kärnkraften kan hjälpa till att bättre definiera strukturen hos en neutronstjärna. Hen hittade tidigare bevis för att neutronstjärnornas yttre kärna, neutroner parar sig mest med protoner genom den starka attraktionen. Med sin nya studie, forskarna har funnit bevis för att när partiklar packas i mycket tätare konfigurationer och separeras med kortare avstånd, den starka kärnkraften skapar en frånstötande kraft mellan neutroner som, vid en neutronstjärnas kärna, hjälper till att hålla stjärnan från att kollapsa i sig själv.

Mindre än en påse kvarkar

Teamet gjorde ytterligare två upptäckter. För en, deras observationer matchar förutsägelserna av en förvånansvärt enkel modell som beskriver bildandet av kortdistanskorrelationer på grund av den starka kärnkraften. För en annan, mot förväntningarna, kärnan i en neutronstjärna kan beskrivas strikt genom interaktionerna mellan protoner och neutroner, utan att uttryckligen behöva redogöra för mer komplexa interaktioner mellan kvarkar och gluoner som utgör individuella nukleoner.

När forskarna jämförde sina observationer med flera befintliga modeller av den starka kärnkraften, de hittade en anmärkningsvärd match med förutsägelser från Argonne V18, en modell utvecklad av en forskargrupp vid Argonne National Laboratory, som övervägde 18 olika sätt nukleoner kan interagera på, eftersom de är åtskilda av kortare och kortare avstånd.

Detta betyder att om forskare vill beräkna egenskaperna hos en neutronstjärna, Hen säger att de kan använda den här speciella Argonne V18-modellen för att exakt uppskatta de starka kärnkraftsinteraktionerna mellan par av nukleoner i kärnan. De nya uppgifterna kan också användas för att jämföra alternativa metoder för att modellera neutronstjärnornas kärnor.

Det som forskarna tyckte var mest spännande var att samma modell, som det står skrivet, beskriver samspelet mellan nukleoner på extremt korta avstånd, utan att uttryckligen ta hänsyn till kvarkar och gluoner. Fysiker hade antagit att i extremt tät, kaotiska miljöer som neutronstjärnans kärnor, interaktioner mellan neutroner borde ge vika för de mer komplexa krafterna mellan kvarkar och gluoner. Eftersom modellen inte tar hänsyn till dessa mer komplexa interaktioner, och eftersom dess förutsägelser på korta avstånd matchar lagets observationer, Hen säger att det är troligt att en neutronstjärnas kärna kan beskrivas på ett mindre komplicerat sätt.

"Folk antog att systemet är så tätt att det borde betraktas som en soppa av kvarkar och gluoner, " Hen förklarar. "Men vi finner även vid de högsta tätheterna, vi kan beskriva dessa interaktioner med hjälp av protoner och neutroner; de verkar behålla sina identiteter och förvandlas inte till denna påse med kvarkar. Så kärnan i neutronstjärnor kunde vara mycket enklare än vad folk trodde. Det är en stor överraskning."