Физики впервые рассчитали распределение давления в протоне

Нейтронные звезды являются одними из самых плотных известных объектов во вселенной, они выдерживают такое сильное давление, что одна чайная ложка материала звезды будет примерно в 15 раз больше веса Луны. Тем не менее, как оказалось, протоны — фундаментальные частицы, которые составляют большую часть видимого вещества во вселенной — содержат даже более высокие давления.

Впервые физики из Массачусетского технологического института вычислили распределение давления в протоне и обнаружили, что частица содержит ядро ​​с высоким давлением, которое в своей наиболее интенсивной точке создает большее давление, чем внутри нейтронной звезды.

Это ядро ​​выталкивается из центра протона, в то время как окружающая область вталкивает его внутрь. (Представьте себе, что бейсбольный мяч пытается раскрыться внутри схлопывающегося футбольного мяча.) Конкурирующее давление стабилизирует общую структуру протона.

Результаты физиков, опубликованные в Physical Review Letters, представляют собой первый случай, когда ученые вычислили распределение давления протона, принимая во внимание вклад как кварков, так и глюонов, фундаментальных, субъядерных составляющих протона.

«Давление — это фундаментальный аспект протона, о котором мы очень мало знаем в настоящее время», — говорит ведущий автор работы Phiala Shanahan, доцент кафедры физики в MIT. «Теперь мы обнаружили, что кварки и глюоны в центре протона создают значительное внешнее давление, а дальше к краям возникает ограничивающее давление. С этим результатом мы движемся к полной картине структуры протона.»

В мае 2018 года физики из Национального ускорительного центра Томаса Джефферсона объявили, что они впервые измерили распределение давления протона, используя пучок электронов, который они выпустили по цели, сделанной из водорода. Электроны взаимодействовали с кварками внутри протонов в мишени. Затем физики определили распределение давления по протону, основываясь на том, как электроны рассеиваются от мишени. Их результаты показали центр высокого давления в протоне, который в точке его наивысшего давления составлял около 10³⁵ паскалей, или в 10 раз больше давления внутри нейтронной звезды. Тем не менее, Шанахан говорит, что их картина давления протона была неполной.

«Они нашли довольно замечательный результат», — говорит Шанахан. «Но этот результат был предметом ряда важных предположений, которые были необходимы из-за нашего неполного понимания».

В частности, исследователи основывали свои оценки давления на взаимодействиях кварков протона, но не его глюонов. Протоны состоят как из кварков, так и из глюонов, которые непрерывно и динамически взаимодействуют внутри протона. Команда Лаборатории Джефферсона была в состоянии определить вклад кварков только с помощью своего детектора, который, по словам Шанахана, не учитывает большую часть вклада протона в давление.

«За последние 60 лет мы достаточно хорошо понимали роль кварков в структуре протона», — говорит она. «Но глюонную структуру гораздо сложнее понять, поскольку ее трудно измерить или рассчитать».

«Внутри протона существует пузырящийся квантовый вакуум пар кварков и антикварков, а также глюонов, появляющихся и исчезающих», — говорит Шанахан. «Наши расчеты включают в себя все эти динамические колебания».

Чтобы сделать это, команда использовала метод в физике, известный как решеточная КХД, для квантовой хромодинамики, который представляет собой систему уравнений, описывающих сильное взаимодействие, одну из трех фундаментальных сил Стандартной модели физики элементарных частиц. (Два других — это слабое взаимодействие и электромагнитная сила.) Сильное ядерное взаимодействие — это то, что связывает кварки и глюоны, чтобы в конечном итоге создать протон.

Решения КХД с решеткой используют четырехмерную сетку или решетку точек для представления трех измерений пространства и одного времени. Исследователи рассчитали давление внутри протона, используя уравнения квантовой хромодинамики, определенные на решетке.

«Это требует огромных вычислительных ресурсов, поэтому мы используем самые мощные суперкомпьютеры в мире для выполнения этих вычислений», — объясняет Шанахан.

Команда ученых провела около 18 месяцев, пропуская различные конфигурации кварков и глюонов через несколько разных суперкомпьютеров, а затем определила среднее давление в каждой точке от центра протона до его края.