Гравитация помогает продемонстрировать сильное ядерное взаимодействие в протоне

Сила гравитации распространена повсеместно во Вселенной. Ее действие можно увидеть в движении спутников, вращающихся вокруг планет; в блуждающих кометах, сбившихся с курса из-за массивных звезд; и в водовороте гигантских галактик. Эти примеры демонстрируют влияние гравитации на самых больших масштабах материи. Теперь физики-ядерщики обнаружили, что гравитация может многое предложить и на мельчайших масштабах.

Новое исследование, проведенное физиками-ядерщиками в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона использует метод, который связывает гравитацию с взаимодействиями между мельчайшими частицами материи, чтобы выявить новые детали в этом масштабе.

Исследование впервые показало картину распределения сильного взаимодействия внутри протона. По словам ведущего автора исследования, главного научного сотрудника лаборатории Джефферсона Волкера Буркерта, измерения позволяют лучше понять среду, в которой находятся строительные блоки протона.

Протоны состоят из трех кварков, связанных между собой сильным ядерным взаимодействием.

«На пике это сила, превышающая четыре тонны, которую нужно было бы приложить к кварку, чтобы вытащить его из протона», — объяснил Буркерт. «Природа, конечно, не позволяет нам отделить от протона хотя бы один кварк из-за свойства кварков, называемого «цвет». Есть три цвета, которые смешивают кварки в протоне, чтобы он казался снаружи бесцветным, что является необходимым условием его существования.

«Попытка вытащить цветной кварк из протона приведет к образованию бесцветной пары кварк/антикварк, мезона, используя энергию, которую вы вкладываете в попытку отделить кварк, оставив после себя бесцветный протон (или нейтрон). Итак, 4 тонны — иллюстрация силы силы, присущей протону».

Результатом исследования является лишь второе из измеряемых механических свойств протона. Механические свойства протона включают его внутреннее давление, распределение массы (физический размер), его угловой момент и напряжение сдвига. Такой результат стал возможен благодаря предсказанию полувековой давности и данным десятилетней давности.

В середине 1960-х годов было высказано предположение, что если физики-ядерщики смогут увидеть, как гравитация взаимодействует с субатомными частицами, такими как протон, такие эксперименты смогут напрямую выявить механические свойства протона.

«Но в то время такой возможности не было. Если вы сравните, например, гравитацию с электромагнитной силой, разница составит 39 порядков. Так что это совершенно безнадежно, не так ли?», — объясняет Латифа Элуадрири, научный сотрудник лаборатории Джефферсона и соавтор исследования.

Данные десятилетней давности были получены в результате экспериментов, проведенных с помощью Ускорителя непрерывного электронного пучка (CEBAF) лаборатории Джефферсона. Типичный эксперимент CEBAF предполагает взаимодействие энергичного электрона с другой частицей путем обмена с частицей пакетом энергии и единицей углового момента, называемой виртуальным фотоном. Энергия электрона определяет, с какими частицами он взаимодействует таким образом и как они реагируют.

В эксперименте к протону была приложена сила, намного превышающая четыре тонны, необходимые для выдергивания пары кварк/антикварк, с помощью высокоэнергетического электронного луча, взаимодействующего с протоном в мишени из сжиженного газообразного водорода.

«Мы разработали программу для изучения виртуального комптоновского рассеяния. Это когда у вас есть электрон, обменивающийся виртуальным фотоном с протоном. И в конечном состоянии протон остается прежним, но откатывается, и у вас есть один настоящий очень высокоэнергетический фотон плюс рассеянный электрон», — говорят ученые. «В то время, когда мы собирали данные, мы не знали, что помимо трехмерного изображения, которое мы планировали с помощью этих данных, мы также собирали данные, необходимые для получения доступа к механическим свойствам протона».

Оказывается, этот конкретный процесс — глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS, deeply virtual Compton scattering) — может быть связан с тем, как гравитация взаимодействует с материей.

Подробное описание связи процесса DVCS с гравитационным взаимодействием можно найти в статье, описывающей первый результат, полученный в результате этого исследования.

Исследователи говорят, что их следующим шагом будет работа над извлечением необходимой информации из существующих данных DVCS, чтобы можно было впервые определить механический размер протона. Они также надеются воспользоваться преимуществами новых экспериментов с более высокой статистикой и более высокой энергией, которые продолжают исследования DVCS в протонах.

Результат был недавно опубликован в журнале Reviews of Modern Physics.