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, 15:59
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

Вчера, 17:41
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

Позавчера, 15:24
5 минут
Илья Ведмеденко

Военно-морской флот получил многоцелевую атомную подводную лодку К-561 «Казань». Это один из самых совершенных кораблей такого типа в мире.

2 мая
11 минут
Василий Парфенов

История исследований Венеры насчитывает более четырех веков, причем последние 60 лет они включают в себя и работу автоматических межпланетных станций. Но при этом даже такие, казалось бы, базовые параметры этой планеты, как продолжительность суток и наклон оси ее вращения — до сих пор измерялись с весьма большой погрешностью. Американские астрономы на основе данных, полученных за 15 лет наблюдений, смогли радикально уточнить не только эти две характеристики, но и оценить размер венерианского ядра.

3 мая
5 минут
Ольга Иванова

Для этого, по мнению ученых из Канады, следует обратить внимание на меконий — первые выделения новорожденного.

3 мая
2 минуты
Илья Ведмеденко

По словам осведомленного источника, передать флоту новую субмарину могут ориентировочно 7 мая. Она станет мощнейшей многоцелевой лодкой в составе ВМФ.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[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: