Физики готовы построить гораздо более подробную модель протона

Ученые разработали революционную теорию для расчета того, что происходит внутри протона, движущегося со скоростью света.

В течении длительного времени ученые считали атом наименьшей возможной частицей. Затем они обнаружили, что у него есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное электронами. После этого они обнаружили, что сами протоны и нейтроны имеют сложный «внутренний мир», полный кварков и антикварков, удерживаемых вместе с помощью силы, созданной глюонами.

«Протоны вместе с нейтронами составляют более 99 процентов видимой Вселенной, то есть все, от галактик и звезд до нас», — сказал Юн Чжао, физик Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Тем не менее, мы еще многого не знаем о богатой внутренней жизни протонов или нейтронов».

Юн Чжао является соавтором статьи об инновационном методе расчета кварковой и глюонной структуры протона, движущегося со скоростью света. Название группы — эффективная теория большого импульса, сокращенно LaMET, которая работает совместно с теорией, называемой решеточной квантовой хромодинамикой (КХД).

Протон очень мал — примерно в 100 000 раз меньше атома, поэтому физики часто моделируют его как точку без размеров. Но новая теория могут предсказать, что происходит внутри протона летящего со скоростью света, как если бы он был трехмерным телом.

Концепция импульса жизненно важна не только для LaMET, но и для физики в целом. Он равен скорости объекта, умноженной на его массу.

Более полувека назад, как объяснил Чжао, простая модель кварка физиков Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга раскрыла некоторую внутреннюю структуру протона в состоянии покоя (без импульса). На основе этой модели ученые изобразили протон как состоящий из трех кварков и предсказали основные свойства, такие как электрический заряд и спин.

Более поздние эксперименты с протонами, ускоренными до скорости, близкой к скорости света, показали, что протон даже более сложен, чем первоначально предполагалось. Например, он содержит бесчисленное количество взаимодействующих друг с другом частиц, а не просто три кварка, связанных глюонами. И глюоны могут ненадолго превратиться в пары кварк-антикварк, прежде чем они разрушат друг друга и снова станут глюоном. Ускорители элементарных частиц дали большинство из этих результатов.

«Когда вы ускоряете протон и сталкиваете его с целью, именно тогда происходит волшебство, открывающее множество его тайн», — говорит Юн Чжао.

Примерно через пять лет после того, как простая модель кварков потрясла физическое сообщество, модель, предложенная Ричардом Фейнманом, изобразила протон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, как луч, несущий бесконечное количество кварков и глюонов, движущихся в одном направлении. Он назвал эти частицы «партонами». Его партонная модель вдохновила физиков на определение набора величин, описывающих трехмерную структуру протона. Затем исследователи могли измерить эти величины в экспериментах на ускорителях частиц.

Более ранние расчеты с использованием наилучшей теории того времени (решеточная КХД) дали некоторые проясняющие подробности о распределении кварков и глюонов в протоне. Но у них был серьезный недостаток: они не могли точно различать быстро и медленно движущиеся партоны.

Сложность заключалась в том, что КХД на решетке могла рассчитывать только те свойства протона, которые не зависят от его импульса. Но применение партонной модели Фейнмана к решеточной КХД требует знания свойств протона с бесконечным импульсом, а это означает, что все протонные частицы должны двигаться со скоростью света. Частично восполняя этот пробел в знаниях, LaMET предоставляет рецепт для расчета физики партонов из решеточной КХД для большого, но конечного импульса.

«Мы разрабатывали и улучшали LaMET в течение последних восьми лет, — сказал Юн Чжао. «Наша статья резюмирует эту работу».

Выполняемые на суперкомпьютерах расчеты КХД на решетке с помощью LaMET генерируют новые и улучшенные предсказания структуры протона летящего со скоростью света. Эти прогнозы можно затем проверить на новом уникальном предприятии под названием Электронно-ионный коллайдер (EIC). Этот объект строится в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Обладая более глубоким пониманием трехмерной кварк-глюонной структуры материи с использованием теории и измерений EIC, ученые будут готовы составить гораздо более подробную картину протона. Тогда мы вступим в новую эру партонной физики.

Исследование было опубликовано в Reviews of Modern Physics.