25 февраля
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.
Позавчера, 20:11
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Позавчера, 11:28
Илья Ведмеденко

Компания Ричарда Брэнсона сдвинула старт коммерческих суборбитальных полетов на четвертый квартал следующего года. Это связано с доработкой оборудования и новыми тестами.

Позавчера, 12:28
Ольга Иванова

Международная группа ученых пришла к выводу, что употребление жирных кислот, содержащихся в орехах, семенах, сое и растительном масле, снижает риск смерти от всех причин, в том числе от сердечно-сосудистых заболеваний.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Елена Синицкая

Управление древностей Израиля обнародовало итоги раскопок огромного винодельческого комплекса. На нем в византийское и раннеисламское время делали виноградное вино, которым снабжали многие страны Средиземноморья.

12 октября
Мария Осетрова

При помощи функциональной магнитно-резонансной томографии исследователи выяснили, как в мозге представлены абстрактные физические концепции — такие как фермион, гравитация или темная материя. Вне зависимости от родного языка, культуры или места обучения одни и те же концепции оказались очень похоже организованы у всех испытуемых.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

22 сентября
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

24 сентября
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: