Определение глюонного гравитационного формфактора протона помогло физикам частично определить скрытую массу протона, которую составляют глюоны. Ученые определили массовый радиус протона, вклад в который создается сильным кварк-глюонным взаимодействием. Статья опубликована в Nature.
Протон — один из основных строительных блоков всей видимой материи во Вселенной. Именно протоны определяют все химические элементы периодической таблицы, они содержатся как в звездах, так и в межзвездном пространстве. Протоны можно найти в космических лучах и солнечном ветре, иными словами, в центре каждого атома Вселенной. Протон состоит из кварков и глюонов — фундаментальных частиц, еще более маленьких компонентов физики. Между кварками и глюонами есть фундаментальная разница. Кварки — фермионы, то есть в буквальном смысле «кирпичики материи», из кварков состоит огромное множество элементарных частиц. А вот глюоны — это бозоны, они не строят материю, а переносят взаимодействия. Глюоны являются переносчиками так называемого «сильного взаимодействия», отвечающего за ядерные силы. Благодаря глюонам кварки могут «склеиться» и объединиться в протон. Протон обладает своими собственными фундаментальными свойствами, которые определяет взаимодействие кварков и глюонов: масса, электрический заряд, спин (собственный момент импульса). Спин и электрический заряд протона складываются из кварков — эти характеристики уже хорошо изучены. Напротив, о массе протона мало что известно: если сложить массу всех кварков протона, то в результате получится очень небольшой процент от его действительной массы. Таким образом, мы не знаем о роли глюонов в формировании массы протонов. Глюоны исследовать гораздо тяжелее, нежели кварки, так как глюоны не несут электрический заряд.
Новый эксперимент проводился на электронном ускорителе-рекуператоре CEBAF в Лаборатории Джефферсона. В эксперименте ученые выстрелили электронами с энергией 10,6 гигаэлектронвольта (ГэВ) в небольшой блок меди. Сталкиваясь с медным блоком, электроны замедлялись или отклонялись. Поскольку заряженный электрон сталкивался с атомами меди, под действием электростатических полей атомов свободный электрон рассеивался и испускал фотон. Затем пучком полученных фотонов ученые ударяли по протонам внутри мишени из жидкого водорода (в жидком водороде огромная концентрация протонов, ведь сам протон — это водород без одного электрона, то есть H+). В конце концов продукты этих взаимодействий измерялись в виде электронов и позитронов (античастиц электронов). Экспериментаторов интересовали взаимодействия, которые позволяли получить J/ψ-мезоны: короткоживущие частицы, состоящие из кварков. Они быстро распадаются на пару электрон/позитрон. Из миллиардов взаимодействий ученые получили около двух тысяч J/ψ-мезонов, что совпадало с количеством пар электрон/позитрон. Чтобы реакция, дающая J/ψ-мезон, произошла, необходимо, чтобы фотон столкнулся с протоном. То есть фотон должен прилететь достаточно близко и попасть в некоторое поперечное сечение — сечение реакции. Ученые рассчитали поперечное сечение фотон-протонного взаимодействия.
«Это похоже на то, что мы делали все это время. При рассеянии электронов на протоне мы получали распределение заряда протона. В этом случае мы получили J/ψ-мезон от протона и увидели распределение глюонов вместо распределения заряда», — рассказал соавтор эксперимента Марк Джонс из Лаборатории Джефферсона.
Ученые вставили значение поперечного сечения в теоретические модели, описывающие глюонные гравитационные формфакторы протона. В ядерной физике формфактор — это функция, которая описывает, как механические характеристики частицы влияют на ее взаимодействие с другими частицами. Глюонные формфакторы показывают массу и давление протона. С помощью моделей обобщенного партонного распределения (GPD) и голографической квантовой хромодинамики (КХД) ученые рассчитали значение массового радиуса глюонов, благодаря которым кварки стягивались к центру, подобно эффекту гравитации. Также они выяснили массовый радиус скалярных глюонов, которые выходят за пределы кварков и ограничивают их в движении. Исследователи обнаружили, что радиус ядра «глюонной материи» находится в центре протона. Массовый радиус глюонов — это составная часть распределения массы протона.
«Этот массовый радиус меньше, чем радиус заряда, и поэтому он как бы дает нам представление об иерархии массы по сравнению с зарядовой структурой протона», — пояснил Марк Джонс.
Самый загадочный вывод заключается в том, что, исходя из теоретической модели данного эксперимента, существует скалярное распределение глюонов, которые выходят за пределы электромагнитного радиуса протона. Чтобы понять эти наблюдения полностью, потребуется новое поколение экспериментальной работы с J/ψ-мезонами.
Результаты исследования крайне интригуют. Массовый радиус протона целиком на данный момент неизвестен. Физикам предстоит провести большую работу, чтобы по-настоящему раскрыть ценность этого исследования и выяснить, как все компоненты внутри протона взаимодействуют друг с другом. Благодаря этой работе ученые приблизились к пониманию возникновения массы в протоне.
Автор: Нелли Чивилева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
