Новые данные о внутренней структуре протона, полученные американскими физиками, противоречат результатам экспериментов 1990-х годов и могут возродить интерес к теориям, объясняющим асимметрию этой частицы.
В середине XX века ученые начали понимать, что элементарные частицы — протон и нейтрон — не такие уж простые. Они состоят из более миниатюрных «кирпичиков» и внутри них происходят постоянные сложные взаимодействия фундаментальных частиц. По результатам исследований структуры протона в 1960-х выяснилось, что он состоит из трех компонентов, названных кварками.
Первоначальная модель предполагала три кварка в протоне: два верхних и один нижний.
Эпитеты относительной высоты физики используют метафорически для упрощения терминов. Эта упрощенная (наивная) модель с тремя кварками в протоне объясняла многие эффекты, наблюдаемые во время экспериментов, но не все.
Выяснилось, что протон состоит не только из трех кварков. Серия экспериментов по глубоко неупругим столкновениям показала: в составе протона помимо трёх основных кварков (двух верхних и одного нижнего) множество пар кварк-антикварк, которые постоянно образуются и уничтожаются.
В упрощенном описании (учесть, пожалуйста, образованные физики) масса протона, обеспечиваемая глюонными полями вокруг кварков, не рассматривается.
Обратите внимание, что значительную долю «супа» составляют калибровочные бозоны сильного взаимодействия.
Возникает проблема: почему в каждый конкретный момент времени у трех кварков внутри протона нет пары антикварков? Это противоречит теоретическим выкладкам и кажется неестественным с физической точки зрения. В этом вопросе заключается суть фундаментальной асимметрии протона.
Независимо от разрешения требовалось выяснить структуру положительного нуклона, что и делала группа исследователей в конце 1990-х годов. NuSea (E866На основе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми ( ) . FermilabВ США физики направили протоны с высокой энергией друг на друга и регистрировали след таких столкновений. В результате удалось подтвердить асимметрию распределения кварков в протонах для сравнительно узкого диапазона импульсов «материнской» частицы, которые уносили кварки. На основании этих данных сделан прогноз, который, пусть и довольно правдоподобен, но пока не был подтвержден экспериментально: в других диапазонах импульсов протона асимметрия исчезнет.
Смелое заявление сильно потрясло научное сообщество, но показалось вполне логичным. В результате ряд ранее изучаемых моделей пришлось отложить и заняться разработкой новых. Благодаря тому, что суть научного метода познания заключается в постоянном проверке результатов, совсем недавно был завершён новый эксперимент на мощностях той же FermilabОн существенно отредактировал сведения, предоставленные коллегами двадцать лет тому назад.
Результатам этого опыта посвящена публикация в рецензируемом журнале NatureКрупная международная команда физиков подготовила исследование, в котором приняли участие специалисты из ведущих американских, тайваньских, израильских и японских технологических научно-исследовательских институтов, а также крупнейших физических лабораторий США и Японии. Основной массив данных собирали на ускорителе в Fermilab в рамках эксперимента E-906/SeaQuest.
Во время столкновения протонов с большой энергией кварки внутри взаимодействуют. Кварк одного протона уничтожает антикварк другого, или наоборот. В результате «супы» перемешиваются. Продуктом такой аннигиляции является виртуальный фотон (его нельзя обнаружить напрямую) или ZБозон практически моментально разлагается на пару мюонов с противоположными зарядами. Именно за счёт регистрации этих частиц детектированием учёные определяют свойства взаимодействующих кварков.
Эксперимент проводился с пучком протонов в энергию 120 гигаэлектронвольт, направленным на мишень из жидких водорода и дейтерия, состоящих преимущественно из протонов. Чтобы зафиксировать только мюоны и исключить другие продукты столкновения частиц, между мишенью и детектором установили пятиметровую стену из железа. Результаты показали впечатляющую асимметрию: кварки уносили на 10% больше импульса всей субатомной частицы.
Это не революция в физике, но серьезное экспериментальное подтверждение теорий и повод пересмотреть другие. Ученые расширили понимание структуры протона. В дальнейшем это даст плоды в разных областях науки и техники: от космологии до химии, медицины и материаловедения.