Физики впервые использовали кварки и глюоны для описания свойств атомного ядра

Прошло почти 100 лет с момента открытия основных компонентов ядер атомов: протонов и нейтронов. Изначально они считались неделимыми, но в 1960-х годах ученые предположили, что при исследованиях на достаточно высоких энергиях протоны и нейтроны раскроют свою внутреннюю структуру — присутствие кварков, постоянно удерживаемых глюонами.

Вскоре существование кварков подтвердили экспериментально. Однако никому не удалось воспроизвести с помощью кварк-глюонных моделей результаты ядерных экспериментов на низких энергиях, когда в атомных ядрах видны только протоны и нейтроны.

Эксперименты показывают, что при относительно низких энергиях атомные ядра ведут себя так, будто они состоят из нуклонов — протонов и нейтронов, — тогда как при высоких энергиях в атомных ядрах «видны» кварки и глюоны. Результаты столкновений атомных ядер с электронами достаточно хорошо воспроизводятся с использованием моделей, предполагающих существование только нуклонов для описания низкоэнергетических столкновений или только партонов — кварков и глюонов — для высокоэнергетических столкновений. Этот многолетний тупик преодолели ученые из международной коллаборации nCTEQ по кварк-глюонным распределениям.

Физики из Института атомной физики Польской академии наук воспользовались данными о высокоэнергетических столкновениях, включая собранные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Основной целью стало изучение партонной структуры атомных ядер на высоких энергиях, которая сегодня описывается функциями распределения партонов (parton distribution functions, PDFs). 

Эти функции используются для отображения распределения кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов и по всему атомному ядру. С помощью функций PDF для атомного ядра можно экспериментально определить вероятность образования конкретной частицы при столкновении электрона или протона с ядром.

Предложенный в новой научной работе подход расширяет описание функций распределения партонов. Ученые вдохновились применяемыми для описания низкоэнергетических столкновений ядерными моделями. В них предполагается, что протоны и нейтроны объединяются в сильно взаимодействующие коррелированные пары нуклонов: протон — нейтрон, протон — протон и нейтрон — нейтрон.

Новый подход позволил определить для 18 изученных атомных ядер функции распределения партонов в атомных ядрах, распределения партонов в коррелированных парах нуклонов и даже количество таких коррелированных пар. Результаты подтвердили наблюдение, известное из низкоэнергетических экспериментов: большинство коррелированных пар — это пары протон — нейтрон.

Преимущество предложенного подхода заключается в том, что он обеспечивает более точное описание экспериментальных данных по сравнению с традиционными методами, используемыми для определения распределений партонов в атомных ядрах. Исследователи внесли улучшения для моделирования явления спаривания определенных нуклонов. Они признали, что этот эффект может иметь значение на уровне партонов. Это дало концептуально упростить теоретическое описание, что в будущем должно позволить нам точнее изучать распределения партонов для отдельных атомных ядер.

Согласие теоретических предсказаний с экспериментальными данными означает, что, применяя партонную модель и данные из области высоких энергий, впервые удалось воспроизвести поведение атомных ядер. До сих пор оно объяснялось исключительно нуклонным описанием и данными низкоэнергетических столкновений. Результаты описанных исследований открывают новые перспективы для лучшего понимания структуры атомного ядра, объединяя его высоко- и низкоэнергетические аспекты.

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.