Введение
Спустя более века после того, как Эрнест Резерфорд открыл положительно заряженную частицу в основе каждого атома, физики все еще пытаются полностью понять протон.
Учителя физики средней школы описывают их как безликие шарики с одной единицей положительного электрического заряда каждый — идеальные фольги для отрицательно заряженных электронов, которые жужжат вокруг них. Студенты колледжа узнают, что шар на самом деле представляет собой пучок из трех элементарных частиц, называемых кварками. Но десятилетия исследований открыли более глубокую истину, которая слишком причудлива, чтобы ее можно было полностью передать словами или изображениями.
«Это самая сложная вещь, которую только можно себе представить», — сказал Майк Уильямс, физик Массачусетского технологического института. — На самом деле, вы даже не представляете, насколько это сложно.
Протон — это квантово-механический объект, который существует как дымка вероятностей, пока эксперимент не заставит его принять конкретную форму. И его формы резко различаются в зависимости от того, как исследователи ставили свой эксперимент. Соединение многих граней частицы было работой поколений. «Мы как бы только начинаем понимать эту систему в полной мере», — сказал Ричард Милнер, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института.
По мере продолжения погони секреты протона продолжают раскрываться. Совсем недавно монументальный анализ данных опубликованные в августе, обнаружили, что протон содержит следы частиц, называемых очарованными кварками, которые тяжелее самого протона.
Протон «унизил людей», сказал Уильямс. «Каждый раз, когда вы думаете, что вроде как справились с этим, это ставит вас в тупик».
Недавно Милнер вместе с Рольфом Энтом из лаборатории Джефферсона, режиссерами Массачусетского технологического института Крисом Бобелем и Джо Макмастером и аниматором Джеймсом ЛаПланте решили преобразовать набор загадочных сюжетов, объединяющих результаты сотен экспериментов, в серию анимаций формы -сдвигающийся протон. Мы включили их анимацию в нашу собственную попытку раскрыть его секреты.
Взломать протон
Доказательство того, что протон содержит множество частиц, было получено в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в 1967 году. В более ранних экспериментах исследователи забрасывали его электронами и наблюдали, как они рикошетят, как бильярдные шары. Но SLAC мог выбрасывать электроны с большей силой, и исследователи увидели, что они по-другому отскакивают назад. Электроны ударялись о протон достаточно сильно, чтобы разбить его — процесс, называемый глубоконеупругим рассеянием, — и отскакивали от точечных осколков протона, называемых кварками. «Это было первое свидетельство того, что кварки действительно существуют», — сказал Сяочао Чжэн, физик из Университета Вирджинии.
После открытия SLAC, получившего Нобелевскую премию по физике в 1990 году, внимание к протону усилилось. На сегодняшний день физики провели сотни экспериментов по рассеянию. Они делают выводы о различных аспектах внутренней части объекта, регулируя силу бомбардировки и выбирая, какие рассеянные частицы они собирают впоследствии.
Введение
Используя электроны с более высокой энергией, физики могут обнаружить более тонкие черты целевого протона. Таким образом, энергия электрона устанавливает максимальную разрешающую способность эксперимента по глубоконеупругому рассеянию. Более мощные коллайдеры частиц предлагают более четкое представление о протоне.
Коллайдеры с более высокой энергией также производят более широкий спектр результатов столкновений, позволяя исследователям выбирать различные подмножества исходящих электронов для анализа. Эта гибкость оказалась ключом к пониманию кварков, которые перемещаются внутри протона с разной величиной импульса.
Измеряя энергию и траекторию каждого рассеянного электрона, исследователи могут сказать, отскочил ли он от кварка, несущего большую часть общего импульса протона, или только капельку. Через повторяющиеся столкновения они могут провести что-то вроде переписи — определить, связан ли импульс протона в основном с несколькими кварками или распределен по многим.
Даже столкновения SLAC с расщеплением протонов были мягкими по сегодняшним меркам. В этих случаях рассеяния электроны часто вылетали таким образом, что предполагалось, что они врезались в кварки, несущие треть полного импульса протона. Это открытие совпало с теорией Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга, которые в 1964 году утверждали, что протон состоит из трех кварков.
«Кварковая модель» Гелл-Манна и Цвейга остается элегантным способом представить себе протон. У него есть два «верхних» кварка с электрическими зарядами +2/3 каждый и один «нижний» кварк с зарядом -1/3, что дает общий заряд протона +1.
Введение
Но кварковая модель — это чрезмерное упрощение, имеющее серьезные недостатки.
Например, он не работает, когда речь идет о вращении протона, квантовом свойстве, аналогичном угловому моменту. Протон имеет полединицы вращения, как и каждый из его верхних и нижних кварков. Первоначально физики предположили, что в расчетах, повторяющих простую зарядовую арифметику, половина единиц двух верхних кварков за вычетом доли нижнего кварка должна равняться половине единицы протона в целом. Но в 1988 году Европейское сотрудничество по мюонам переправу что спины кварков в сумме составляют гораздо меньше половины. Точно так же массы двух верхних кварков и одного нижнего кварка составляют всего около 1% от общей массы протона. Эти недостатки привели к выводу, что физики уже начали понимать: протон намного больше, чем три кварка.
Гораздо больше, чем три кварка
Ускоритель адронно-электронных колец (HERA), который работал в Гамбурге, Германия, с 1992 по 2007 год, врезал электроны в протоны примерно в тысячу раз сильнее, чем SLAC. В экспериментах HERA физики смогли выбрать электроны, которые отскочили от кварков с чрезвычайно низким импульсом, включая те, которые несут всего 0.005% от общего импульса протона. И они их обнаружили: электроны HERA отскочили от водоворота низкоимпульсных кварков и их аналогов из антивещества, антикварков.
Введение
Результаты подтвердили сложную и диковинную теорию, которая к тому времени заменила кварковую модель Гелл-Манна и Цвейга. Разработанная в 1970-х годах, это была квантовая теория «сильного взаимодействия», действующего между кварками. Теория описывает кварки как связанные друг с другом переносящие взаимодействие частицы, называемые глюонами. Каждый кварк и каждый глюон имеют один из трех типов «цветовых» зарядов, обозначенных красным, зеленым и синим; эти заряженные цветом частицы естественным образом притягиваются друг к другу и образуют группу — например, протон, — чьи цвета в сумме дают нейтральный белый цвет. Красочная теория стала известна как квантовая хромодинамика или КХД.
Согласно КХД, глюоны могут улавливать мгновенные всплески энергии. Обладая этой энергией, глюон распадается на кварк и антикварк, каждый из которых несет небольшой импульс, прежде чем пара аннигилирует и исчезает. Меньшие всплески энергии производят пары кварков с меньшим импульсом, которые живут меньше. Именно это «море» глюонов, кварков и антикварков HERA, с его большей чувствительностью к частицам с меньшим импульсом, обнаружила из первых рук.
HERA также уловила намеки на то, как будет выглядеть протон в более мощных коллайдерах. По мере того как физики настраивали HERA для поиска кварков с более низким импульсом, эти кварки, происходящие из глюонов, появлялись во все большем и большем количестве. Результаты показали, что даже при столкновениях с более высокой энергией протон будет выглядеть как облако, почти полностью состоящее из глюонов.
Введение
Глюонный одуванчик — это именно то, что предсказывает КХД. «Данные HERA являются прямым экспериментальным доказательством того, что КХД описывает природу», — сказал Милнер.
Но победа молодой теории пришла с горькой пилюлей: в то время как КХД прекрасно описала танец короткоживущих кварков и глюонов, обнаруженный экстремальными столкновениями HERA, эта теория бесполезна для понимания трех долгоживущих кварков, наблюдаемых при мягкой бомбардировке SLAC.
Предсказания КХД легко понять только тогда, когда сильное взаимодействие относительно слабое. И сильное взаимодействие ослабевает только тогда, когда кварки находятся очень близко друг к другу, поскольку они находятся в короткоживущих парах кварк-антикварк. Фрэнк Вилчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер определили эту определяющую черту КХД в 1973 году, получив за нее Нобелевскую премию 31 год спустя.
Но для более мягких столкновений, таких как SLAC, где протон действует как три кварка, которые взаимно сохраняют свое расстояние, эти кварки притягиваются друг к другу настолько сильно, что расчеты КХД становятся невозможными. Таким образом, задача дальнейшей демистификации трехкваркового представления о протоне легла в основном на плечи экспериментаторов. (Исследователи, которые проводят «цифровые эксперименты», в которых предсказания КХД моделируются на суперкомпьютерах, также сделали ключевой вклад.) И именно в этом изображении с низким разрешением физики продолжают находить сюрпризы.
Очаровательный новый вид
Недавно группа под руководством Хуан Рохо из Национального института субатомной физики в Нидерландах и VU University Amsterdam проанализировали более 5,000 снимков протонов, сделанных за последние 50 лет, используя машинное обучение для определения движения кварков и глюонов внутри протона таким образом, чтобы избежать теоретических догадок.
Новая проверка обнаружила размытие фона на изображениях, которые ускользнули от предыдущих исследователей. В относительно мягких столкновениях, едва разрывавших протон, большая часть импульса заключалась в обычных трех кварках: двух верхних и одном нижнем. Но небольшое количество импульса, по-видимому, исходило от «очаровательного» кварка и очарованного антикварка — колоссальных элементарных частиц, каждая из которых тяжелее всего протона более чем на треть.
Введение
Кратковременные чары часто проявляются в виде «кваркового моря» протона (глюоны могут разделиться на любой из шести различных типов кварков, если у них достаточно энергии). Но результаты Рохо и его коллег показывают, что чары имеют более постоянное присутствие, что делает их заметными при более мягких столкновениях. В этих столкновениях протон появляется как квантовая смесь или суперпозиция нескольких состояний: электрон обычно сталкивается с тремя легкими кварками. Но иногда он будет встречать более редкую «молекулу» из пяти кварков, таких как верхний, нижний и очарованный кварк, сгруппированные с одной стороны, и верхний кварк и очарованный антикварк с другой.
Такие тонкие детали строения протона могут оказаться важными. На Большом адронном коллайдере физики ищут новые элементарные частицы, сталкивая друг с другом высокоскоростные протоны и наблюдая, что получится; чтобы понять результаты, исследователям нужно знать, что находится в протоне для начала. Случайное появление гигантских очарованных кварков могло бы сбрасывать со счетов шансы создания более экзотических частиц.
И когда протоны, называемые космическими лучами, летят сюда из космоса и врезаются в протоны в атмосфере Земли, очаровательные кварки, возникающие в нужные моменты, осыпают Землю сверхэнергетические нейтрино, подсчитали исследователи в 2021 году. Это может сбить с толку наблюдателей поиск для нейтрино высоких энергий, приходящих со всего космоса.
Сотрудничество Рохо планирует продолжить изучение протона в поисках дисбаланса между очарованными кварками и антикварками. А более тяжелые составляющие, такие как топ-кварк, могут появляться еще реже и их труднее обнаружить.
Эксперименты следующего поколения будут искать еще больше неизвестных особенностей. Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории надеются запустить электронно-ионный коллайдер в 2030-х годах и продолжить с того места, где остановилась HERA, сделав снимки с более высоким разрешением, которые позволят провести первые трехмерные реконструкции протона. EIC также будет использовать вращающиеся электроны для создания подробных карт спинов внутренних кварков и глюонов, точно так же, как SLAC и HERA нанесли на карту их импульсы. Это должно помочь исследователям окончательно определить происхождение вращения протона и ответить на другие фундаментальные вопросы о непонятной частице, которая составляет большую часть нашего повседневного мира.
