Теоретические модели удалось впервые использовать для описания свойств атомных ядер, основываясь на кварках и глюонах. Ранее для этих целей использовались исключительно протоны и нейтроны.
Почти столетие прошло с тех пор, как были открыты ключевые составляющие ядер атомов – протоны и нейтроны. Изначально эти частицы воспринимались как не имеющие внутренней структуры, однако в 1960-х годах ученые высказали предположение, что при изучении с использованием высоких энергий протоны и нейтроны проявят внутреннее строение – кварки, удерживаемые вместе глюонами.
Вскоре экспериментальные исследования подтвердили существование кварков. Однако никому не удалось воспроизвести с помощью кварк-глюонных моделей результаты ядерных экспериментов на низких энергиях, когда в атомных ядрах видны только протоны и нейтроны.
В ходе экспериментов установлено, что при небольших энергиях атомные ядра проявляют свойства, обусловленные наличием нуклонов (протонов и нейтронов). Однако при более высоких энергиях в их структуре обнаруживаются кварки и глюоны. Модели, учитывающие наличие только нуклонов для описания столкновений при низких энергиях или только партонов (кварков и глюонов) для высокоэнергетических столкновений, позволяют достаточно точно воспроизвести результаты взаимодействия атомных ядер с электронами. Этот давний вопрос был разрешен исследователями, работающими в рамках международной коллаборации nCTEQ по кварк-глюонным распределениям.
Ученые из Института атомной физики Польской академии наук проанализировали данные о высокоэнергетических столкновениях, в том числе полученные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Исследование было направлено на изучение партонной структуры атомных ядер при высоких энергиях, которая в настоящее время характеризуется функциями распределения партонов ( parton distribution functions, PDFs).
Для визуализации распределения кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов, а также по всему атомному ядру используются эти функции. С помощью функций PDF для атомного ядра можно экспериментально определить вероятность образования конкретной частицы при столкновении электрона или протона с ядром.
Новый научный подход, изложенный в работе, дополняет описание функций распределения партонов. Разработчики опирались на модели ядерных взаимодействий, которые обычно используются для анализа столкновений ядер при низких энергиях. Эти модели предполагают формирование сильно взаимодействующих коррелированных пар нуклонов, таких как протон-нейтрон, протон-протон и нейтрон-нейтрон.
Благодаря новому методу стало возможным установить функции распределения партонов в 18 исследованных атомных ядрах, а также распределения партонов в коррелированных парах нуклонов и определить число таких пар. Результаты подтвердили наблюдение, известное из низкоэнергетических экспериментов: большинство коррелированных пар — это пары протон — нейтрон.
Предложенный метод имеет преимущество в том, что он позволяет получить более точное представление экспериментальных данных, чем традиционные подходы к определению распределений партонов в атомных ядрах. Ученые усовершенствовали модель для имитации явления спаривания нуклонов. Они отметили, что этот эффект может оказывать существенное влияние на уровне партонов. Это привело к концептуально упростить теоретическое описание, что в будущем должно позволить нам точнее изучать распределения партонов для отдельных атомных ядер.
Соответствие теоретических прогнозов и экспериментальных данных свидетельствует о том, что впервые, используя партонную модель и информацию из области высоких энергий, удалось воссоздать поведение атомных ядер. Ранее это явление объяснялось исключительно на основе нуклонного подхода и результатах столкновений с низкой энергией. Полученные в ходе исследований данные открывают новые возможности для более глубокого понимания структуры атомного ядра, объединяя его высоко- и низкоэнергетические характеристики.
Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.