Die Originalversion von diese Geschichte erschien in Quanta-Magazin.
Eine neue Messung der starken Kernkraft, die Protonen und Neutronen zusammenhält, bestätigt frühere Hinweise auf eine unbequeme Wahrheit: Wir haben immer noch kein solides theoretisches Verständnis selbst der einfachsten Kernsysteme.
Um die starke Kernkraft zu testen, griffen Physiker auf den Helium-4-Kern zurück, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Wenn Heliumkerne angeregt werden, wachsen sie wie ein sich aufblasender Ballon, bis eines der Protonen abplatzt. Überraschenderweise schwollen Heliumkerne in einem kürzlich durchgeführten Experiment nicht wie geplant an: Sie blähten sich stärker auf als erwartet, bevor sie platzten. Ein Maß, das diese Ausdehnung beschreibt und als Formfaktor bezeichnet wird, ist doppelt so groß wie theoretische Vorhersagen.
„Die Theorie sollte funktionieren“, sagte er Sonia Baccaein theoretischer Physiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Autor des Artikels, der die Diskrepanz beschreibt, der in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung. „Wir sind verwirrt.“
Der anschwellende Heliumkern ist laut Forschern eine Art Minilabor zum Testen der Kerntheorie, weil er wie ein Mikroskop ist – er kann Mängel in theoretischen Berechnungen vergrößern. Physiker glauben, dass bestimmte Besonderheiten dieser Schwellung sie äußerst empfindlich gegenüber selbst den schwächsten Komponenten der Kernkraft machen – Faktoren, die so klein sind, dass sie normalerweise ignoriert werden. Wie stark der Kern anschwillt, hängt auch davon ab Weichheit der Kernmaterie, eine Eigenschaft, die Einblicke in die mysteriösen Herzen von Neutronensternen bietet. Bevor die Physiker jedoch die Zerkleinerung der Materie in Neutronensternen erklären können, müssen sie zunächst herausfinden, warum ihre Vorhersagen so weit entfernt sind.
Bira van Kolck, ein Kerntheoretiker am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, sagte, Bacca und ihre Kollegen hätten ein bedeutendes Problem in der Kernphysik aufgedeckt. Sie hätten, sagte er, einen Fall gefunden, in dem unser bestes Verständnis der nuklearen Wechselwirkungen – ein Rahmenwerk, das als Theorie des chiralen effektiven Feldes bekannt ist – unzureichend sei.
„Dieser Übergang verstärkt die Probleme [with the theory] „Das ist in anderen Situationen nicht so relevant“, sagte van Kolck.
Die starke Atomkraft
Atomnukleonen – Protonen und Neutronen – werden durch die starke Kraft zusammengehalten. Doch die Theorie der starken Kraft wurde nicht entwickelt, um zu erklären, wie Nukleonen zusammenhalten. Stattdessen wurde es zunächst verwendet, um zu erklären, wie Protonen und Neutronen aus Elementarteilchen, den sogenannten Quarks und Gluonen, bestehen.
Viele Jahre lang wussten die Physiker nicht, wie sie die starke Kraft nutzen können, um die Klebrigkeit von Protonen und Neutronen zu verstehen. Ein Problem war die bizarre Natur der starken Kraft – sie wird mit zunehmender Entfernung stärker, anstatt langsam abzusterben. Diese Funktion hinderte sie daran, ihre üblichen Berechnungstricks anzuwenden. Wenn Teilchenphysiker ein bestimmtes System verstehen wollen, zerlegen sie eine Kraft normalerweise in überschaubarere Näherungsbeiträge, ordnen diese Beiträge von den wichtigsten zu den unwichtigsten und dann einfach Ignorieren Sie die weniger wichtigen Beiträge. Mit der starken Kraft konnten sie das nicht tun.
Dann im Jahr 1990, Steven Weinberg gefunden eine Möglichkeit, die Welt der Quarks und Gluonen mit klebrigen Kernen zu verbinden. Der Trick bestand darin, eine effektive Feldtheorie zu verwenden – eine Theorie, die nur so detailliert ist, wie sie sein muss, um die Natur auf einer bestimmten Größen- (oder Energie-) Skala zu beschreiben. Um das Verhalten eines Kerns zu beschreiben, muss man nichts über Quarks und Gluonen wissen. Stattdessen entsteht auf diesen Skalen eine neue wirksame Kraft – die starke Kernkraft, die zwischen Nukleonen durch den Austausch von Pionen übertragen wird.