Внутри «Протона» — «самая сложная вещь, которую только можно себе представить».

19 октября 2022 г.

Положительно заряженная частица в ядре атома — это объект невероятной сложности, меняющий свой внешний вид в зависимости от способа исследования. Мы попытались соединить множество граней протона, чтобы сформировать наиболее полную на сегодняшний день картину. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Спустя более века после того, как Эрнест Резерфорд открыл положительно заряженную частицу, лежащую в основе каждого атома, физики до сих пор пытаются полностью понять протон.

Учителя физики в старшей школе описывают их как безликие шары, каждый из которых обладает одним положительным электрическим зарядом — идеальная оболочка для отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг них. Студенты колледжа узнают, что на самом деле этот шар представляет собой пучок из трех элементарных частиц, называемых кварками. Но десятилетия исследований выявили более глубокую истину, слишком странную, чтобы полностью передать ее словами или изображениями.

«Это самая сложная вещь, которую только можно себе представить», — сказал Майк Уильямс, физик из Массачусетского технологического института. «На самом деле, вы даже не можете представить, насколько она сложна».

Протон — это квантово-механический объект, существующий в виде туманности вероятностей до тех пор, пока эксперимент не заставит его принять конкретную форму. И эти формы кардинально различаются в зависимости от того, как исследователи проводят свои эксперименты. Соединение множества граней этой частицы — работа многих поколений. «Мы только начинаем понимать эту систему в полной мере», — сказал Ричард Милнер, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института.

По мере продолжения поисков тайны протона продолжают раскрываться. Совсем недавно, в августе, был опубликован масштабный анализ данных, показавший, что протон содержит следы частиц, называемых очарованными кварками, которые тяжелее самого протона.

«Протон стал для людей настоящим испытанием», — сказал Уильямс. «Каждый раз, когда кажется, что ты более-менее понимаешь его природу, он подбрасывает неожиданные сюрпризы».

Недавно Милнер вместе с Рольфом Энтом из лаборатории Джефферсона, кинематографистами из Массачусетского технологического института Крисом Боэбелом и Джо Макмастером, а также аниматором Джеймсом Лаплантом поставили перед собой задачу преобразовать набор замысловатых сюжетов, объединяющих результаты сотен экспериментов, в серию анимаций, демонстрирующих изменяющуюся форму протона. Мы включили их анимации в нашу собственную попытку раскрыть его секреты.

Взлом протона

Доказательство существования множества частиц в протоне было получено в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в 1967 году. В более ранних экспериментах исследователи забрасывали протон электронами и наблюдали, как они отскакивают, словно бильярдные шары. Но SLAC мог запускать электроны с большей силой, и исследователи увидели, что они отскакивают по-другому. Электроны ударяли по протону достаточно сильно, чтобы разрушить его — процесс, называемый глубоким неупругим рассеянием, — и отскакивали от точечных осколков протона, называемых кварками. «Это было первое доказательство того, что кварки действительно существуют», — сказал Сяочао Чжэн, физик из Университета Вирджинии.

После открытия SLAC, за которое в 1990 году была присуждена Нобелевская премия по физике, интерес к протону значительно возрос. К настоящему времени физики провели сотни экспериментов по рассеянию. Они делают выводы о различных аспектах строения объекта, регулируя силу бомбардировки и выбирая, какие рассеянные частицы они собирают после бомбардировки.

Используя электроны с более высокой энергией, физики могут выявлять более тонкие особенности целевого протона. Таким образом, энергия электрона определяет максимальную разрешающую способность эксперимента по глубокому неупругому рассеянию. Более мощные ускорители частиц обеспечивают более четкое изображение протона.

Ускорители с более высокими энергиями также позволяют получать более широкий спектр результатов столкновений, давая исследователям возможность выбирать различные подмножества вылетающих электронов для анализа. Эта гибкость оказалась ключевой для понимания кварков, которые движутся внутри протона с разным импульсом.

Измеряя энергию и траекторию каждого рассеянного электрона, исследователи могут определить, отскочил ли он от кварка, несущего большую часть полного импульса протона, или лишь её небольшую долю. Благодаря многократным столкновениям они могут провести своего рода перепись — определить, сосредоточен ли импульс протона в основном в нескольких кварках или распределен между многими.

Даже столкновения, расщепляющие протоны, в SLAC были мягкими по сегодняшним меркам. В этих событиях рассеяния электроны часто вылетали таким образом, что это указывало на столкновение с кварками, несущими треть полного импульса протона. Это открытие совпало с теорией Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга, которые в 1964 году предположили, что протон состоит из трех кварков.

«Кварковая модель» Гелл-Манна и Цвейга остается элегантным способом представить протон. Она включает два «верхних» кварка с электрическим зарядом +2/3 каждый и один «нижний» кварк с зарядом −1/3, что в сумме дает заряд протона +1.

Однако кварковая модель — это чрезмерное упрощение, имеющее серьезные недостатки.

Например, эта модель не работает, когда речь идёт о спине протона, квантовом свойстве, аналогичном угловому моменту. Протон имеет половину единицы спина, как и каждый из его верхнего и нижнего кварков. Физики первоначально предполагали, что — в расчёте, повторяющем простую арифметику зарядов — половина единицы спина двух верхних кварков минус половина единицы спина нижнего кварка должна равняться половине единицы спина протона в целом. Но в 1988 году Европейская коллаборация по изучению мюонов сообщила, что сумма спинов кварков составляет гораздо меньше половины. Аналогично, массы двух верхних кварков и одного нижнего кварка составляют лишь около 1% от общей массы протона. Эти недостатки подчёркивали то, что физики уже начинали понимать: протон — это гораздо больше, чем три кварка.

Гораздо больше, чем три кварка

Адронно-электронный кольцевой ускоритель (HERA), работавший в Гамбурге, Германия, с 1992 по 2007 год, сталкивал электроны с протонами примерно в тысячу раз сильнее, чем SLAC. В экспериментах HERA физики могли отбирать электроны, отскочившие от кварков с чрезвычайно низким импульсом, включая те, которые несут всего 0,005% от полного импульса протона. И они их действительно обнаруживали: электроны HERA отскакивали от вихря кварков с низким импульсом и их антиматериальных аналогов, антикварков.

Результаты подтвердили сложную и необычную теорию, которая к тому времени заменила кварковую модель Гелл-Манна и Цвейга. Разработанная в 1970-х годах, она представляла собой квантовую теорию «сильного взаимодействия», действующего между кварками. Теория описывает кварки как связанные между собой частицами-переносчиками, называемыми глюонами. Каждый кварк и каждый глюон имеют один из трех типов «цветового» заряда, обозначенных красным, зеленым и синим; эти цветовые заряженные частицы естественным образом притягивают друг друга и образуют группу — например, протон — сумма цветов которой равна нейтральному белому цвету. Эта красочная теория стала известна как квантовая хромодинамика, или КХД.

Согласно КХД, глюоны могут улавливать кратковременные всплески энергии. С этой энергией глюон расщепляется на кварк и антикварк — каждый из которых несёт лишь крошечную долю импульса — после чего пара аннигилирует и исчезает. Именно это «море» кратковременных глюонов, кварков и антикварков HERA, благодаря своей большей чувствительности к частицам с меньшим импульсом, обнаружила непосредственно.

HERA также зафиксировала некоторые признаки того, как будет выглядеть протон в более мощных коллайдерах. По мере того, как физики настраивали HERA для поиска кварков с меньшим импульсом, эти кварки — происходящие из глюонов — появлялись во всё большем количестве. Результаты показали, что в столкновениях с ещё более высокими энергиями протон будет выглядеть как облако, состоящее почти исключительно из глюонов.

Глюонный одуванчик — это в точности то, что предсказывает КХД. «Данные HERA являются прямым экспериментальным доказательством того, что КХД описывает природу», — сказал Милнер.

Однако победа молодой теории принесла горькую пилюлю: хотя КХД прекрасно описывала танец короткоживущих кварков и глюонов, обнаруженный в результате экстремальных столкновений HERA, эта теория бесполезна для понимания трех долгоживущих кварков, наблюдавшихся при мягкой бомбардировке SLAC.

Предсказания КХД легко понять только тогда, когда сильное взаимодействие относительно слабое. А сильное взаимодействие ослабевает только тогда, когда кварки находятся чрезвычайно близко друг к другу, как это бывает в короткоживущих парах кварк-антикварк. Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер выявили эту определяющую особенность КХД в 1973 году, за что получили Нобелевскую премию 31 год спустя.

Но при более мягких столкновениях, таких как в SLAC, где протон ведет себя как три кварка, взаимно сохраняющие расстояние, эти кварки притягиваются друг к другу достаточно сильно, чтобы расчеты в рамках КХД стали невозможными. Таким образом, задача дальнейшего демистификации трехкварковой модели протона в значительной степени легла на плечи экспериментаторов. (Исследователи, проводящие «цифровые эксперименты», в которых предсказания КХД моделируются на суперкомпьютерах, также внесли ключевой вклад.) И именно в этой картине с низким разрешением физики продолжают находить сюрпризы.

Очаровательный новый взгляд

Недавно группа исследователей под руководством Хуана Рохо из Национального института субатомной физики в Нидерландах и Амстердамского университета VU проанализировала более 5000 снимков протонов, полученных за последние 50 лет, используя машинное обучение для определения движений кварков и глюонов внутри протона таким образом, чтобы избежать теоретических предположений.

 При новом исследовании на изображениях обнаружилось размытое фоновое пятно, которое ускользало от внимания предыдущих исследователей. При относительно мягких столкновениях, едва расщепляющих протон, большая часть импульса была сосредоточена в обычных трех кварках: двух верхних и одном нижнем. Но небольшая часть импульса, по-видимому, исходила от «очарованного» кварка и очарованного антикварка — колоссальных элементарных частиц, каждая из которых весит более чем на треть больше, чем весь протон.

Кратковременные очарованные кварки часто проявляются в рамках концепции «кваркового моря» протона (глюоны могут расщепляться на любой из шести различных типов кварков, если обладают достаточной энергией). Однако результаты Рохо и его коллег предполагают, что очарованные кварки имеют более постоянное присутствие, что делает их обнаруживаемыми при более мягких столкновениях. В таких столкновениях протон выглядит как квантовая смесь, или суперпозиция, нескольких состояний: электрон обычно сталкивается с тремя легкими кварками. Но иногда он может столкнуться с более редкой «молекулой» из пяти кварков, такой как верхний, нижний и очарованный кварки, сгруппированные с одной стороны, и верхний кварк и очарованный антикварк с другой.

Такие тонкие детали состава протона могут оказаться весьма важными. На Большом адронном коллайдере физики ищут новые элементарные частицы, сталкивая высокоскоростные протоны и наблюдая за тем, что из них образуется; чтобы понять результаты, исследователям необходимо знать, что изначально содержится в протоне. Случайное появление гигантских очарованных кварков могло бы снизить вероятность образования более экзотических частиц.

Когда протоны, называемые космическими лучами, несутся сюда из космоса и сталкиваются с протонами в атмосфере Земли, очарованные кварки, появляющиеся в нужные моменты, будут осыпать Землю внеэнергетическими нейтрино, подсчитали исследователи в 2021 году. Это может ввести в заблуждение наблюдателей, ищущих высокоэнергетические нейтрино, поступающие из разных уголков космоса.

В рамках коллаборации Рохо планируется продолжить исследование протона, ища дисбаланс между очарованными кварками и антикварками. Более тяжелые составляющие, такие как топ-кварк, могут появляться еще реже и их сложнее обнаружить.

Эксперименты следующего поколения будут направлены на поиск еще более неизвестных особенностей. Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории надеются запустить электронно-ионный коллайдер в 2030-х годах и продолжить работу, начатую HERA, получая снимки с более высоким разрешением, которые позволят впервые создать трехмерные реконструкции протона. EIC также будет использовать вращающиеся электроны для создания подробных карт спинов внутренних кварков и глюонов, подобно тому, как SLAC и HERA картировали их импульсы. Это должно помочь исследователям наконец определить происхождение спина протона и ответить на другие фундаментальные вопросы об этой загадочной частице, из которой состоит большая часть нашего повседневного мира.

Исправление: 20 октября 2022 г.
В предыдущей версии статьи ошибочно подразумевалось, что кварки с меньшим импульсом живут меньше, чем кварки с большим импульсом в кварковом море. Текст был обновлен, чтобы уточнить, что все эти кварки имеют меньший импульс и живут меньше, чем кварки в трехкварковой модели.

Источник: www.quantamagazine.org