Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона — Naked Science
Василий Парфенов

Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона

8.5

Американские физики получили новые данные о внутреннем строении протона, которые идут вразрез с результатами экспериментов, проведенных в начале 1990-х. Они дают шанс уже «отложенным в сторону» теориям, объясняющим асимметрию этой частицы, снова стать актуальными.

Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона
Упрощенное представление устройства протона: шары — кварки, спирали — взаимодействия между ними. Три центральных кварка определяют основные свойства частицы / ©Brookhaven National Laboratory

В середине XX века ученые начали понимать, что элементарные частицы — протон и нейтрон — не такие уж простые. Они не только состоят из более миниатюрных «кирпичиков», но внутри них еще происходят постоянные сложные взаимодействия фундаментальных частиц. Так, по результатам исследований структуры протона в 1960-х выяснилось, что он состоит из трех компонентов, которые позднее назвали кварками.

Первоначальная модель подразумевала, что в протоне — три кварка: два верхних и один нижний. Эпитеты относительной высоты используются физиками метафорически, они лишь помогают сделать термины проще и чуть понятнее. Эта упрощенная модель (ее так теперь и называют — «наивной») с тремя кварками в протоне помогла объяснить многие эффекты, наблюдаемые во время экспериментов. Но не все.

Позднее удалось установить, что наличием всего трех кварков структуру протона не описать. Если кратко, серия экспериментов по глубоко неупругим столкновениям этих частиц показала, что все несколько сложнее. В протоне есть три «основных» кварка (два верхних и один нижний), а также множество пар кварк-антикварк, которые постоянно возникают и аннигилируют. То есть фактически положительный нуклон представляет собой «суп» из непрестанно взаимодействующих фундаментальных частиц.

В этом крайне упрощенном объяснении (да простят нас образованные физики) намеренно опускается вопрос массы протона, которая обеспечивается глюонными полями вокруг кварков. Отметим лишь, что изрядную часть «супа» составляют именно калибровочные бозоны сильного взаимодействия.

Но в таком случае возникала проблема: а почему в каждый отдельный момент времени у трех кварков внутри протона нет пары в виде антикварка? Это противоречит многим теоретическим выкладкам и выглядит крайне неестественно с точки зрения физики. Собственно говоря, вышеописанный вопрос и есть суть фундаментальной асимметрии протона.

И даже без его разрешения все равно необходимо было уточнять структуру положительного нуклона, чем и занималась в конце 1990-х коллаборация NuSea (E866) на базе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab) в США. Физики сталкивали разогнанные до высоких энергий протоны и фиксировали следы таких событий. Тогда удалось подтвердить асимметрию распределения кварков в протонах для сравнительно узкого диапазона уносимых кварками импульсов «материнской» частицы. И на основе этих данных был сделан далекоидущий и пусть довольно правдоподобный, но все же не подтвержденный практически прогноз: в других диапазонах уносимого кварками импульса протона асимметрия будет исчезать.

Смелое заявление изрядно встряхнуло научное сообщество, но выглядело вполне резонно. Так что ряд ранее прорабатываемых моделей пришлось забросить и заняться созданием новых. К счастью, суть научного метода познания заключается в постоянной проверке результатов. Поэтому совсем недавно завершился новый эксперимент на мощностях все той же Fermilab. И он серьезно подкорректировал данные коллег, полученные более 20 лет назад.

Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона
Схема процесса Дрелла — Яна. Кварк и антикварк (красные) аннигилируют, порождая фотон (синяя волна), который затем превращается в пару противоположно заряженных мюонов / ©Wikimedia

Результатам этого опыта посвящена публикация в рецензируемом журнале Nature, которую подготовила крупная международная команда физиков. В ней принимали 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.

При столкновении двух протонов достаточно высоких энергий входящие в них кварки взаимодействуют друг с другом. А точнее, кварк одного протона аннигилирует с антикварком другого или наоборот. Проще говоря, «супы» перемешиваются. Продуктом такой аннигиляции будут виртуальный (то есть его невозможно детектировать напрямую) фотон или Z-бозон, которые почти сразу распадутся на пару противоположно заряженных мюонов. Именно улавливая эти частицы детекторами, ученые судят о характеристиках взаимодействующих кварков.

Для проведения эксперимента использовали пучок протонов с энергией 120 гигаэлектронвольт (не рекорд, но много), направленный на мишень из жидких водорода и дейтерия (они состоят преимущественно из протонов). Чтобы зафиксировать только мюоны и отфильтровать любые другие продукты столкновения частиц, между мишенью и детекторами разместили пятиметровую стену из железа. Результаты оказались впечатляющими: описанная несколько выше асимметрия сохранялась для кварков, уносящих на 10% больше импульса всей субатомной частицы.

Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона
Фотография зала с мишенью, куда приходит пучок протонов / ©Fermi National Accelerator Laboratory

Конечно, это не громкая революция в физике, но серьезное экспериментальное подтверждение ряда теорий и заявка на корректировку других. Так или иначе, ученые еще дальше расширили понимание структуры протона. А это в дальнейшем принесет свои плоды в самых разных областях науки и техники: от космологии с астрономией и физики до химии, медицины и материаловедения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Вчера, 15:39
5 минут
Илья Ведмеденко

Специалистам «Роскосмоса» удалось запустить основные двигатели нового модуля «Наука». Ранее сообщалось о технических неполадках, возникших после старта.

Позавчера, 10:07
6 минут
Сергей Васильев

Первые сейсмические данные о внутренней структуре Красной планеты показали ее удивительно толстую кору и большое расплавленное ядро.

20 июля
4 минуты
Ольга Иванова

Двумерный магнит, сконструированный учеными, может найти применение в вычислительной технике и электронике, а также новых инструментах для изучения квантовой механики.

19 июля
2 минуты
Илья Ведмеденко

Состоялись новые тесты перспективного гиперзвукового комплекса «Циркон». В качестве носителя выступил фрегат проекта 22350.

Вчера, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

13 июля
5 минут
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
7 минут
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

11 июля
28 минут
Александр Березин

Еще год назад почти все были уверены, что эпидемия быстро закончится. Ведь научные исследования говорили: иммунитет переболевших очень сильный, а повторные заболевания крайне редки. Российские власти все еще верят в это: глава Роспотребнадзора Анна Попова утверждает, будто повторно болеет только 1%. От этого в России до сих пор ждут достижения «группового иммунитета» осенью — и, разумеется, снятия ковидных ограничений. К сожалению, это пустые надежды. Данные из других стран вообще не показывают реальной возможности достичь группового иммунитета за счет переболевших. Разбираемся в деталях.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: