Картирование невидимого: титанические силы в сердце протонов
Ученые только что сделали решающий шаг к пониманию структуры материи. Впервые им удалось составить беспрецедентно подробную карту сил, действующих внутри протонов. Этот прорыв, достигнутый благодаря международному сотрудничеству, в том числе исследователей из Университета Аделаиды, открывает уникальное окно в бесконечно малые и механизмы, управляющие Вселенной в ее самых фундаментальных масштабах.
Протон — вселенная сама по себе
Присутствующий в ядре каждого атома, протон гораздо сложнее, чем кажется. Не будучи простой неделимой частицей, он на самом деле состоит из еще более мелких элементов — кварков. В протоне три кварка (два «верхних» кварка и один «нижний» кварк), и они удерживаются вместе частицами, называемыми глюонами. Эти глюоны несут в себе сильную силу — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в физике, наряду с гравитацией, электромагнитными силами и слабым взаимодействием.
Сильная сила играет решающую роль в сплоченности протона. Кварки имеют частичные электрические заряды, и два из них, верхние-кварки, имеют положительный заряд. Теоретически такое соседство одинаковых зарядов должно вызывать сильное электромагнитное отталкивание. Однако протон остается стабильным. Этой устойчивостью мы обязаны действию глюонов. Глюоны действуют как невероятно мощный цемент, который не дает кваркам разойтись.
Эта сила настолько интенсивна, что намного превосходит электромагнитное притяжение или гравитацию. Однако, несмотря на ее важность, распределение и точные эффекты этой силы внутри протона до сих пор оставались малоизученными. Поведение кварков и глюонов, их внутренняя динамика и то, как эти силы проявляются на субатомном уровне, — явления, которые крайне сложно наблюдать напрямую, поскольку они происходят в невероятно малых масштабах времени и пространства.
Передовая технология картирования бесконечно малых величин
Квантовая хромодинамика (КХД) - это фундаментальная теория, которая описывает взаимодействия между этими частицами. Чтобы смоделировать эти взаимодействия с высокой точностью, исследователи из Университета Аделаиды использовали метод, называемый решеточной КХД. По сути, вместо того чтобы пытаться моделировать пространство и время непрерывно, этот метод делит Вселенную на своего рода сетку, дискретную сеть. Представьте себе, что вы увеличиваете масштаб небольшой части Вселенной и нарезаете ее на маленькие ячейки, где каждая точка на сетке представляет собой событие в определенный момент времени. Это позволяет моделировать и рассчитывать взаимодействия между кварками и глюонами на таких крошечных масштабах.
Такой подход очень эффективен, поскольку позволяет учесть все сложные аспекты взаимодействия между этими частицами, даже те, которые невозможно предсказать теоретически. Используя чрезвычайно мощные компьютеры, исследователи могут моделировать эти взаимодействия и предсказывать явления, которые невозможно наблюдать непосредственно в лабораторных экспериментах. Это чрезвычайно сложный метод расчетов, который дает очень точные результаты и позволил добиться значительных успехов в понимании фундаментальной физики.
«Этот подход дает нам уникальную возможность увидеть, как сильные силы меняются внутри протона», — объясняет доцент Росс Янг из Университета Аделаиды. «Как будто у нас наконец-то появилась топографическая карта этой микроскопической области, которая раскрывает ранее недоступные детали».
Колоссальные силы в крошечном пространстве
В результате расчетов была получена самая маленькая карта силового поля, когда-либо созданная в природе. Результаты поражают: внутренние силы, измеренные внутри протона, достигают полумиллиона Ньютонов. По порядку величины это эквивалентно давлению, оказываемому десятью слонами на поверхность гораздо меньшую, чем атомное ядро. Такая сила, невообразимая в наших масштабах, показывает, насколько интенсивны и динамичны взаимодействия внутри протонов. Эти огромные силы отчасти объясняют, почему протоны так стабильны и почему они играют такую важную роль в структуре материи.
Наконец, этот прорыв не ограничивается фундаментальными исследованиями. Лучшее понимание внутренней структуры протонов может найти конкретное применение в самых современных областях. Например, протонная терапия — метод лечения рака с помощью высокоэнергетических протонов — может воспользоваться этими открытиями для повышения точности и эффективности лечения.
Кроме того, эти помогут уточнить модели, используемые в Большом адронном коллайдере (БАК), крупнейшем в мире ускорителе частиц. Лучше понимая внутреннюю динамику протонов, физики смогут более точно интерпретировать результаты экспериментов, проводимых на этой международной исследовательской инфраструктуре.