На пределе своих возможностей БАК не нашел структуры внутри кварка
Коллаборация CMS провела глубокое исследование кварков в поисках потенциальных строительных блоков внутри них.
Коллаборация CMS, работающая на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, провела исследование, направленное на проверку фундаментальной природы кварков. Ученые не обнаружили никаких признаков того, что кварки состоят из более мелких частиц в масштабе 10⁻²⁰ метров, если они вообще являются составными. Результаты этого анализа были представлены в недавней статье коллаборации CMS, основанной на данных второго сеанса работы БАК.
Современная физика рассматривает кварки как фундаментальные точечные частицы, основные строительные блоки материи, которые невозможно разделить на что-то еще. Однако история науки учит нас осторожности в таких вопросах. Когда-то считалось, что атом неделим, но затем были открыты электроны, позже ядро, а еще позже протоны и нейтроны.
Каждый новый виток познания показывал, что за, казалось бы, базовым уровнем скрывается следующий, более глубокий слой реальности. Классическим примером служат опыты Эрнеста Резерфорда, который, бомбардируя золотую фольгу пучком ядер гелия, обнаружил, что атом имеет плотное точечное ядро в центре. Ключевым фактором тогда была достаточная энергия его экспериментальной установки, позволившая «заглянуть» внутрь атома.
Сегодня роль такого «микроскопа» выполняет Большой адронный коллайдер (БАК). В детекторе CMS сталкивают пучки протонов на колоссальных энергиях. При столкновении протоны распадаются на составляющие их кварки. Сами кварки невозможно наблюдать напрямую, но их взаимодействие порождает два мощных потока (струи) адронов — «распыл частиц», который регистрируется детектором. Измеряя параметры этих струй, ученые восстанавливают угол, под которым разлетелись кварки после столкновения.
Затем полученное распределение углов рассеяния сравнивается с теоретическим распределением, предсказанным для случая, если бы кварк был идеальной точечной частицей. Недавние результаты коллаборации CMS, основанные на данных второго запуска БАК, показали, что расхождение с этой моделью отсутствует.
Как говорится в тексте: «Недавние результаты коллаборации CMS, основанные на данных второго запуска БАК, не показали существенного расхождения с распределением рассеяния точечного кварка». Это позволяет сделать вывод, что если кварки все же имеют внутреннюю структуру, то размеры частиц такой структуры не превышают 10⁻²⁰ метров.
Такой строгий вывод основан на установленном пределе энергетической шкалы, на которой могла бы проявиться «составность» кварков. Для эталонной модели, рассмотренной в статье CMS, получено ограничение в 37 ТэВ — это самый жесткий на сегодняшний день предел. Иными словами, чтобы попытаться «разбить» кварк дальше, нужны энергии, существенно превышающие возможности даже самого мощного современного ускорителя.
10⁻²⁰ метров это невообразимо маленькая величина, которую практически невозможно представить в привычных бытовых масштабах. Чтобы понять ее, полезно пройти по цепочке вниз, от привычного к предельному. Для сравнения: диаметр атома водорода составляет примерно 10⁻¹⁰ метра. Это уже настолько мало, что в одном миллиметре умещается около 10 миллионов атомов, выложенных в ряд. Но 10⁻²⁰ это в десять миллиардов раз меньше, чем сам атом.
Размер классического атомного ядра (например, протона) около 10⁻¹⁵ метра. Эта величина называется фемтометр или ферми. Так вот, 10⁻²⁰ метров — это в 100 000 раз меньше, чем диаметр протона. Если представить, что протон увеличить до размеров футбольного мяча (диаметр около 20 см), то масштаб 10⁻²⁰ метров в этом же увеличении будет соответствовать размеру отдельного атома, который невооруженным глазом все равно не разглядеть. Иными словами, 10⁻²⁰ метров это планка, за которой физики пытаются разглядеть гипотетические «кирпичики», из которых могли бы состоять кварки. На сегодняшний день эта планка осталась неприступной: никакой внутренней структуры на таком масштабе не обнаружено.
В результате проведенное коллаборацией CMS исследование не выявило никаких доказательств составной природы кварков, подтвердив их структуру вплоть до масштаба 10⁻²⁰ метров. Установлен самый строгий на сегодняшний день предел энергии составности кварков в 37 ТэВ.
Тем не менее, аналогично опытам Резерфорда, которые потребовали повышения энергии для открытия ядра, будущие запуски Большого адронного коллайдера (третий сеанс и проект БАК высокой светимости) могут обеспечить необходимую точность и энергию, чтобы либо обнаружить, либо исключить существование более глубоких слоев материи внутри кварков.
Научная публикация:
Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at √s = 13 TeV, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2603.25458
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
