Тайны сильного взаимодействия: как глюоны меняются внутри ядер

Группа физиков из Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) провела новаторское исследование, впервые измерив распределение глюонов внутри протонов и нейтронов, связанных в атомных ядрах. Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, раскрывают новые данные о поведении глюонов — частиц, ответственных за сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе, формируя протоны и нейтроны.

Основной вывод работы заключается в том, что глюонное поле может изменяться, когда протон или нейтрон находится внутри ядра, в отличие от свободных нуклонов. Это открытие помогает объяснить давний вопрос в ядерной физике — эффект ЭМС (EMC effect), при котором кварки внутри связанных нуклонов движутся медленнее, чем в свободных.

Глюоны и их роль в сильном взаимодействии

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия — фундаментальной силы, которая связывает кварки внутри протонов и нейтронов, а также удерживает сами нуклоны в атомных ядрах. В отличие от электрически заряженных кварков, глюоны нейтральны, что делает их изучение значительно сложнее.

До этого исследования физики уже измеряли распределение глюонов в одиночных протонах и нейтронах, но их поведение в связанных ядрах оставалось малоизученным. Новый эксперимент позволил впервые заглянуть внутрь ядерной материи и увидеть, как глюоны адаптируются в условиях ядерной среды.

Метод исследования: использование J/ψ-мезонов

Поскольку глюоны напрямую не детектируются, физики использовали косвенный метод, изучая рождение J/ψ-мезонов (частиц, состоящих из очарованных кварков). J/ψ образуется при столкновении высокоэнергетического фотона с глюоном, а его распад на электрон-позитронную пару позволяет измерить количество произведенных частиц.

Ключевая инновация эксперимента заключалась в использовании подпороговой энергии фотонов (менее 8,2 ГэВ) для генерации J/ψ. Обычно такой энергии недостаточно для рождения тяжелого J/ψ на неподвижном протоне, но в ядрах протоны и нейтроны обладают внутренним движением, что добавляет необходимую кинетическую энергию.

Экспериментальная установка и анализ данных

Эксперимент проводился на установке непрерывного электронного пучка (CEBAF) в Jefferson Lab, где фотонный пучок направлялся на мишени из дейтерия, гелия и углерода. Детектор GlueX регистрировал электрон-позитронные пары от распада J/ψ.

Анализ данных был сложным, поскольку подобные измерения ранее не проводились. Аспирант MIT Джексон Пайбус применил методы динамики светового фронта (light-front dynamics), обычно используемые в квантовой теории поля, чтобы извлечь информацию о глюонном распределении.

Основные выводы и расхождения с теорией

Результаты показали, что производство J/ψ в ядрах превышает теоретические предсказания. Это указывает на то, что глюонное поле в связанных нуклонах ведет себя иначе, чем в свободных. Возможные объяснения включают:

• Изменение пространственного распределения глюонов в ядрах.
• Влияние ядерной среды на динамику сильного взаимодействия.
• Наличие экзотических эффектов, не учтенных в стандартных моделях.

Полученные данные открывают путь для более глубокого изучения ядерного глюонного поля. Ученые предлагают провести длительный эксперимент с увеличенной статистикой, чтобы точно определить природу наблюдаемых эффектов.

Кроме того, эти результаты важны для подготовки к запуску Электрон-ионного коллайдера (EIC), который позволит детально исследовать глюонную структуру ядер.

Значение для фундаментальной и прикладной физики

Понимание глюонной динамики в ядрах не только углубляет знания о сильном взаимодействии, но и может иметь далеко идущие последствия:

• Развитие квантовой хромодинамики (КХД) в условиях высокой плотности.
• Исследование кварк-глюонной плазмы в релятивистских столкновениях.
• Потенциальные приложения в ядерной энергетике и новых материалах.

Данная работа представляет собой прорыв в изучении глюонного поля внутри атомных ядер. Она не только подтверждает, что глюоны ведут себя иначе в ядерной среде, но и задает направление для будущих экспериментов, которые могут привести к новым открытиям в физике сильных взаимодействий.