Подобные измерения особенно ценны, когда речь идет о понимании фундаментальной «сильной силы», которая удерживает ядра вместе и, таким образом, по существу отвечает за стабильность материи. Даже после десятилетий исследований многие детали этой силы все еще остаются неизвестными. Ядра окружающей нас материи состоят из двух строительных блоков: положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Они сложным образом взаимодействуют друг с другом.
Важно то, что между этими частицами существует мощное притяжение, которое связывает их вместе, образуя атомные ядра, и не дает им разлететься. Тогда масса атомного ядра меньше, чем сумма масс его компонентов. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, эта «недостающая масса» представлена энергией связей в ядре. Это означает, что, если можно точно измерить массу ядра, можно определить энергию связи и, таким образом, сделать выводы относительно природы сильного взаимодействия.
В ядре теоретически могут быть связаны и другие сильно взаимодействующие частицы, помимо протонов и нейтронов, такие как так называемые гипероны, также известные как «странные» нейтроны. Таким образом, атомное ядро, в котором они присутствуют, называется странным атомным ядром или гиперядром. Их можно создать искусственно в ускорителе частиц, таком как МАМИ.
Такие экзотические частицы могут существовать на Земле всего лишь доли секунды, но возможно, что их может быть большое количество глубоко в ядрах нейтронных звезд, которые также удерживаются вместе с помощью сильного взаимодействия. Есть еще много вопросов, на которые пока нет ответа, об этих впечатляющих звездных остатках в самом глубоком космосе: насколько велики нейтронные звезды? Что находится внутри их ненаблюдаемых ядер?
Насколько он горячий и насколько он там плотный? В противном случае недоступные подробности о сильных силах, которые удерживают вместе не только странные ядра, но и нейтронные звезды, могут быть определены посредством изучения гиперядер, и этот подход может помочь объяснить структуру крошечных атомных ядер и гигантских нейтронных звезд и их взаимосвязь.Используя микротрон Майнца, группа исследователей во главе с профессором Йозефом Походзалла и доктором Патриком Ахенбахом создала очень тяжелую форму обычного элемента водорода с ядром, состоящим из одного протона, двух нейтронов и гиперона.
Это искусственно созданное странное атомное ядро имеет массу примерно вдвое больше дейтерия, самой тяжелой стабильной формы природного водорода. Чтобы определить массу странного ядра водорода как можно точнее, физики-ядерщики наблюдали радиоактивный распад ядра, используя комбинацию нескольких магнитных спектрометров.
В этом контексте эти устройства имеют функцию, аналогичную функции электронного микроскопа, хотя на самом деле они работают в гораздо большем масштабе. Они используют сильное магнитное поле, чтобы направлять частицы и сводить их вместе в месте, где их можно измерить с помощью детекторов частиц. Для достижения максимально возможной точности спектрометры имеют диаметр около 15 метров и вес более 200 тонн.
Также для получения чрезвычайно точных результатов необходимы высокая энергия, точная фокусировка и стабильность пучка ускоренных частиц. Всего этого можно добиться с помощью МАМИ.
Таким образом, исследователи из Майнца смогли измерить энергию связи гиперона в ядре сверхтяжелого водорода. Это примерно эквивалентно полной энергии связи в ядре дейтерия. Особый интерес для исследователей вызывает вопрос, который до сих пор не получил ответа, изменяется ли эта энергия связи, когда гиперон присутствует в столь же тяжелом ядре гелия, а не в ядре водорода.
Если это так, это будет означать, что сила притяжения, оказываемая протонами и нейтронами на гиперон, различна в двух ядрах, таким образом нарушая симметрию между компонентами, составляющими ядра.