Раскрыты детали атомного ядра: новый взгляд на кварки и глюоны

Атомное ядро, сложная структура, состоящая из протонов и нейтронов, удерживается вместе более мелкими частицами, называемыми кварками и глюонами. Несмотря на первоначальное убеждение, что все свойства атомных ядер можно объяснить, используя только кварки и глюоны, потребовались десятилетия упорных исследований и экспериментов, чтобы достичь этого понимания.

С тех пор как почти столетие назад были открыты протоны и нейтроны, которые первоначально считались неделимыми. Затем физики узнали, что они состоят из кварков. Однако им было трудно воспроизвести с помощью кварк-глюонных моделей результаты ядерных экспериментов при низких энергиях, когда в атомных ядрах видны только протоны и нейтроны.

Недавно совместные усилия под руководством исследователей из Института ядерной физики в Польше и других привели к значительному прорыву. Они нашли способ преодолеть разрыв между двумя взглядами на атомные ядра, создав более полное понимание их функционирования.

«До сих пор существовало два параллельных описания атомных ядер: одно основано на протонах и нейтронах, которые мы можем видеть при низких энергиях, а другое, для высоких энергий, основано на кварках и глюонах. В нашей работе нам удалось объединить эти два до сих пор разделенных мира», — говорит доктор Александр Кусина, один из трех теоретиков из Польской академии наук (IFJ PAN), принимающих участие в исследовании.

Физики из IFJ PAN использовали данные высокоэнергетических столкновений, таких как на БАК в ЦЕРНе, для изучения партонной структуры атомных ядер.

Они сосредоточились на функциях распределения партонов (PDF), которые показывают, как кварки и глюоны располагаются внутри протонов и нейтронов. Понимание этих распределений помогает ученым предсказывать, как частицы ведут себя при столкновениях. (Партоны — это точечноподобные составляющие адронов, проявляющаяся в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию адронов на лептонах и других адронах. Партонная модель была предложена Ричардом Фейнманом в 1969 году для анализа столкновения протонов при высоких энергиях).

Их инновационная работа объединила традиционные ядерные модели, которые изучают низкоэнергетические взаимодействия протонов и нейтронов, с PDF для анализа 18 различных атомных ядер. Этот новый подход позволил им определить распределения кварков и глюонов и то, как нуклоны (протоны и нейтроны) образуют пары.

Исследователи обнаружили, что пары протон-нейтрон являются наиболее распространенными, особенно в тяжелых ядрах, таких как золото и свинец. Этот метод также повысил точность экспериментальных предсказаний по сравнению со старыми методами.

«В нашей модели мы внесли улучшения для моделирования спаривания определенных нуклонов. Это потому, что мы поняли, что этот эффект может быть также актуален на уровне партонов. Интересно, что это позволило концептуально упростить теоретическое описание, что позволило нам более точно изучать распределения партонов для отдельных атомных ядер» — говорят ученые.

Сильное соответствие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными означает, что впервые ученые успешно использовали партонную модель и высокоэнергетические данные для объяснения поведения атомных ядер, которое ранее понималось только через низкоэнергетические нуклонные описания.

Этот прорыв предлагает новое понимание структуры атомного ядра, эффективно объединяя его высоко- и низкоэнергетические характеристики для более унифицированного понимания.