Новый эксперимент дал шанс уже отброшенным теориям объяснить фундаментальную асимметрию протона — Naked Science
10 минут
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, 10:57
8 минут
ЮФУ

Ученые ЮФУ исследовали вспышки светимости молодых протозвезд, которые, по некоторым данным, случались и на ранних стадиях формирования Солнца. Показано, что структура и кинематика протопланетных дисков для каждого механизма вспышки имеют свои особенности.

10 часов назад
6 минут
Илья Ведмеденко

По данным американских и южнокорейских источников, новая северокорейская субмарина массой в 3000 тонн готова к спуску на воду. Предполагается, что она сможет нести три баллистические ракеты.

8 часов назад
2 минуты
Илья Ведмеденко

Согласно планам компании Leonardo, начало сертификации первого конвертоплана AW609 намечено на конец лета этого года. Сейчас продолжается подготовка к его серийному производству.

8 апреля
13 минут
Мария Азарова

Когда знаменитый епископ Лунда Педер Винструп умер, его похоронили в семейном склепе в Лундском соборе вместе с женой. После реставрации собора в XIX веке гробы перенесли в общее хранилище, а в 2012 году ученые решили исследовать мумифицированные останки. Неожиданно в ногах Винструпа обнаружили небольшой кулек — завернутое в ткань тело недоношенного ребенка. Это открытие вызвало резонный вопрос: как эмбрион попал в гроб к епископу и имели ли они родственную связь?

Позавчера, 06:49
7 минут
Александр Речкин

12 апреля исполняется 60 лет со дня первого полета человека в космос. В 1961 году советский космонавт Юрий Гагарин на космическом корабле стартовал с космодрома Байконур и впервые в мире совершил орбитальный облет Земли. Полет в околоземном космическом пространстве продлился один час и 48 минут, после чего Гагарин успешно приземлился.

9 апреля
51 минута
Александр Березин

9 апреля 1940 года Германия внезапно напала на Данию и Норвегию — выполнив тем самым планы британского командования, пытавшегося спровоцировать Берлин на такое нападение. Но дальше все пошло не по плану: Германия победила, союзники проиграли. Тем не менее в этой битве выиграли не только немцы. Парадоксальным образом она помешала и англо-французским планам нападения на СССР в 1940 году, что радикально изменило ход и исход всей мировой войны. Попробуем разобраться в деталях.

17 марта
12 минут
Василий Парфенов

Продолжавшееся более пяти лет уголовное дело подошло к завершению: серийного сетевого сексуального маньяка осудили на 75 лет тюремного заключения. Чтобы поймать человека, растлившего 375 несовершеннолетних девушек, потребовалось пойти на беспрецедентные и этически спорные меры: создать вредоносное ПО и подсунуть злоумышленнику видеоловушку со встроенным вирусом.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: