Новые данные, полученные американскими физиками, проливают свет на внутреннее строение протона и противоречат результатам экспериментов, проведенных в начале 1990-х. Это открытие предоставляет возможность для «отложенных» теорий, объясняющих асимметрию этой частицы, вновь обрести актуальность.
В середине XX века ученые пришли к осознанию того, что элементарные частицы, такие как протон и нейтрон, обладают более сложной структурой, чем считалось ранее. Помимо того, что они сформированы из более мелких составляющих, внутри них непрерывно происходят сложные взаимодействия фундаментальных частиц. В частности, исследования структуры протона в 1960-х годах показали, что он состоит из трех компонентов, впоследствии получивших название кварки.
Изначально предполагалось, что протон состоит из трех кварков: двух верхних и одного нижнего. Физики используют эпитеты, обозначающие относительную высоту, метафорически, чтобы упростить и немного сделать более понятными термины. Эта упрощенная модель, получившая название «наивная», объясняющая наличие трех кварков в протоне, помогла понять многие эффекты, зафиксированные в ходе экспериментов. Однако, это не охватывает всех случаев.
В дальнейшем было выяснено, что для описания структуры протона недостаточно всего трех кварков. Кратко говоря, эксперименты с глубоко неупругими столкновениями частиц выявили более сложную картину. В протоне присутствуют три «базовых» кварка (два верхних и один нижний), а также множество пар кварк-антикварк, которые непрерывно возникают и исчезают. Фактически, положительный нуклон представляет собой «смесь» из постоянно взаимодействующих фундаментальных частиц.
Для простоты изложения (просим прощения у специалистов-физиков) мы сознательно не рассматриваем вопрос о массе протона, которая обусловлена глюонными полями, окружающими кварки. Стоит подчеркнуть, что значительную долю этого «супа» составляют калибровочные бозоны сильного взаимодействия.
В таком случае возникала сложность: почему в каждый конкретный момент времени внутри протона три кварка не имеют соответствующих антикварков? Это противоречит ряду теоретических построений и представляется весьма необычным с точки зрения физики. Именно этот вопрос и определяет суть фундаментальной асимметрии протона.
Несмотря на отсутствие разрешения, оставалось важным выяснить строение положительного нуклона, и этим занималась коллаборация в конце 1990-х годов NuSea (E866) на базе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми ( Fermilab) в США физики проводили эксперименты, сталкивая разогнанные до высоких энергий протоны и регистрируя результаты этих столкновений. Это позволило установить асимметрию в распределении кварков внутри протонов для ограниченного диапазона импульсов, переносимых кварками от «материнской» частицы. На основании полученных данных был сформулирован смелый и, несомненно, вероятный, но пока не получивший практического подтверждения прогноз: при изменении диапазона импульса, переносимого кварками, асимметрия будет уменьшаться.
Заявление вызвало значительный резонанс в научном сообществе, хотя и представлялось вполне логичным. В результате ряд ранее разработанных моделей оказались неактуальными, и потребовалось приступить к созданию альтернативных. К счастью, суть научного метода заключается в непрерывной проверке полученных данных. Поэтому совсем недавно завершился новый эксперимент на мощностях все той же Fermilab. Он внес существенные коррективы в данные, собранные его коллегами более двух десятилетий назад.
Результатам этого опыта посвящена публикация в рецензируемом журнале Nature, которую подготовила крупная международная команда физиков. В работе принимали участие специалисты из ведущих американских, тайваньских, израильских и японских научно-исследовательских институтов и крупнейших физических лабораторий США и Японии. Основной массив данных собирали на ускорителе в Fermilab в рамках эксперимента E-906/SeaQuest.
При взаимодействии двух протонов, обладающих высокой энергией, кварки, составляющие их, начинают взаимодействовать. В частности, кварк из одного протона может аннигилировать с антикварком из другого протона, или наоборот. Можно сказать, что происходит смешение «супов». Результатом такой аннигиляции может быть виртуальный фотон (который невозможно зарегистрировать непосредственно) или Z-эти частицы, бозоны, практически мгновенно распадаются на пару мюонов с противоположными зарядами. Анализ данных, полученных с детекторов, позволяющий выявить эти распады, помогает ученым определять свойства взаимодействующих кварков.
В ходе эксперимента был применен пучок протонов с энергией 120 гигаэлектронвольт (значительная величина, хотя и не является рекордной), который направили на мишень, состоящую из жидкого водорода и дейтерия (в основном, эти вещества состоят из протонов). Для того чтобы зафиксировать исключительно мюоны и исключить влияние других продуктов взаимодействия частиц, между мишенью и детекторами установили пятиметровую преграду из железа. Полученные данные оказались весьма показательными: ранее упомянутая асимметрия наблюдалась и для кварков, которые переносили на 10% больше импульса всей субатомной частицы.
Несмотря на то, что это не является революционным открытием в физике, полученные результаты представляют собой значимое экспериментальное подтверждение ряда теорий и позволяют предположить необходимость внесения корректировок в другие. В любом случае, исследователи углубили представления о структуре протона. Это, несомненно, приведет к полезным результатам в самых разных сферах науки и техники, включая космологию, астрономию, физику, химию, медицину и материаловедение.