Специалисты из Санкт-Петербургского университета разработали новую методику определения массы нуклонов (протонов и нейтронов). Она базируется на выявлении соответствия между сильными взаимодействиями, описываемыми квантовой хромодинамикой, и теорией поляронов, применяемой в физике конденсированного состояния. Результаты исследования были представлены на 75-й международной конференции « ЯДРО-2025» в СПбГУ, они также были опубликованы в научном журнале The European Physical Journal C.
Около 99% массы обычного вещества, составляющего Вселенную, заключено в атомных ядрах. Основными компонентами этих ядер являются протоны и нейтроны, однако их точная масса до сих пор не определена учеными. Установлено, что эти частицы состоят из кварков, общая масса которых составляет лишь приблизительно 1% от их полной массы. Остальная доля приходится на энергию, возникающую в результате взаимодействия кварков.
В настоящее время взаимодействие частиц, вероятно, должно быть описано с помощью квантовой теории поля, однако более шести десятилетий усилия ученых не принесли успеха в объяснении этого показателя. Следовательно, на сегодняшний день в физике нет единого, общепринятого объяснения того, как формируется почти 99% массы вещества, которое мы наблюдаем во Вселенной.
Специалисты из Санкт-Петербургского университета разработали инновационный метод решения задачи, объединяющий физику твердого тела и физику элементарных частиц. Ученые СПбГУ отмечают, что электроны, перемещающиеся в ионных кристаллах, демонстрируют интенсивное взаимодействие с ионами, расположенными в узлах кристаллической структуры, что приводит к значительному увеличению их эффективной массы (которую можно непосредственно измерить). Электрон, подверженный такому «утяжелению» из-за облака взаимодействий, получил название полярон.
«По словам профессора Сергея Афонина, заведующего кафедрой физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ, существует вероятность, что аналогичный принцип лежит в основе формирования массы кварков, составляющих протоны и нейтроны. Это могло бы пролить свет на природу массы большей части известной нам материи.
По словам физика из Санкт-Петербургского государственного университета, применение параметров, характерных для физики кварковых взаимодействий, в уравнении из теории полярона позволяет с высокой степенью точности воспроизвести массу нейтрона, которая практически не отличается от массы протона. Это говорит о том, что механизм увеличения массы кварка внутри протона или нейтрона, вероятно, аналогичен процессу, происходящему с электроном в ионном кристалле. Следовательно, отработанная теория поляронов может быть использована для объяснения некоторых ключевых моментов, связанных с квантовой хромодинамикой.
Разработанная учеными Санкт-Петербургского государственного университета модель позволяет также описать и другие значимые параметры внутриядерных взаимодействий, включая пион-нуклонный сигма-член. Этот параметр демонстрирует, какой была бы масса протона или нейтрона, если бы не эффект увеличения массы кварков, находящихся внутри них.
Новая модель предлагает иной подход к пониманию физической структуры протона и нейтрона. Согласно общепринятой точке зрения, эти частицы формируются из трех валентных кварков двух типов – u- и d-кварков – и «облака» силового глюонного поля, а также различных виртуальных частиц. Кварковый состав протона определяется как uud, а нейтрона – как ddu. В рамках новой интерпретации, протон первоначально состоит из одного u-кварка, а нейтрон – из одного d-кварка, которые выступают в роли динамических аналогов электрона в поларине. Остальные два валентных кварка – пара ud – следует рассматривать как часть «облака», формирующего итоговые квантовые числа системы.
В ходе исследования был создан специальный «словарь», предназначенный для перевода терминов и явлений, известных в физике поляронов, в область физики сильных взаимодействий между кварками. В этой области ключевые аспекты не могут быть описаны аналитически, основываясь на базовой теории сильных взаимодействий.
В работе над исследованием участвовал Александр Тулуб, известный физик, окончивший ЛГУ и являющийся профессором СПбГУ. Он был учеником Владимира Фока, одного из основоположников квантовой механики и руководителя отдела теоретической физики при физическом факультете Ленинградского университета.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ