Протоны кажутся разных размеров в зависимости от метода наблюдения
Структура протона, субатомной частицы, входящей в состав ядра атома, остается в значительной степени неизвестной. Хотя известно, что масса протона формируется не только из его физических строительных блоков, точное происхождение его общей массы остается загадкой. В новом исследовании ученые, возможно, раскрыли часть этой "скрытой" массы, показав, что протон оказывается разного размера в зависимости от того, интересует ли вас его заряд или масса.
Долгое время считавшийся неделимым, протон может быть "разложен на части" благодаря ускорителям частиц. Десятилетия экспериментов с адронными коллайдерами показали, что протон состоит из трех элементарных частиц, включая два верхних кварка и один нижний кварк. Также было обнаружено, что эти кварки связаны между собой частицами, называемыми глюонами. В одном из предыдущих исследований ученые предположили, что у протона может быть четвертый элемент, называемый очарованным кварком.
Хотя сейчас мы знаем гораздо больше о кварках и расстояниях, на которые распространяются их электрические поля, о глюонах мы знаем гораздо меньше. Обратите внимание, что кварки в протоне составляют лишь небольшую часть его массы. Помимо кварков и их движений, часть этой массы приходится на глюоны или энергию, связывающую кварки вместе. Динамические взаимодействия между кварками и глюонами также внесут свой вклад в общую массу протона.
Однако этих различных взаимодействий пока недостаточно для объяснения всей массы. По мнению ученых из нового исследования, опубликованного в журнале , способ распределения глюонов может дать ценные подсказки к происхождению этой "скрытой массы". Проводя эксперименты в попытке обнаружить пятый тип кварков, о котором ранее сообщали ученые ЦЕРНа, они обнаружили вместо этого радиус массы протона, порожденный сильным взаимодействием глюонов.
Точнее, исследователи в новом исследовании обнаружили местонахождение материи, порожденной гравитационным взаимодействием глюонов, с помощью нового измерения их радиуса. Считается, что радиус этого ядра материи расположен в центре протона и, по-видимому, отличается от его зарядового радиуса. Таким образом, пространство, занимаемое большей частью массы протона, будет гораздо меньше, чем считалось ранее. Важно отметить, что радиус заряда часто используется для измерения приблизительного размера протона.
"Радиус этой структуры массы меньше радиуса заряда, поэтому это дает нам некоторое представление об иерархии массы по отношению к зарядовой структуре нуклона", — объясняет Марк Джонс, научный сотрудник отделения экспериментальной ядерной физики Института Джефферсона (США) и соавтор нового исследования. Это различие во внутренней структуре может иметь последствия для расчетов других свойств протона, таких как спин, угловой момент и распределение энергии. Подтверждение этого структурного контраста также повлечет за собой пересмотр всех экспериментальных протоколов на атомах.
Разный размер в зависимости от измеряемой характеристики
В своих экспериментах исследователи бомбардировали небольшой блок меди высокоэнергетическими электронами (10,6 миллиарда электрон-вольт) с помощью ускорителя частиц. После столкновения с медным блоком электроны замедлялись, а затем отклонялись, испуская фотоны. Этот сгенерированный пучок фотонов затем ударил по скоплению протонов внутри жидкого раствора водорода. В результате столкновения образовались частицы, называемые короткоживущими J/psi мезонами, каждый из которых состоит из очарованного кварка и антикварка. После образования мезоны быстро распадаются на электроны и позитроны.
Оценив количество произведенных J/psi мезонов, исследователи смогли вывести распределение массы протона с помощью квантовомеханических моделей, измеряющих глюон-кварковые взаимодействия. Затем было обнаружено, что масса глюонов ограничена плотным ядром в центре протона. Заряд кварков, напротив, распространяется на больший радиус.
Затем ученые попытались исследовать теоретические модели измерения, оценивая глюонные гравитационные форм-факторы протона (или механические характеристики протона, такие как его масса и давление). "Было две величины, называемые гравитационными форм-факторами, которые мы смогли извлечь, потому что у нас был доступ к этим двум моделям: обобщенной модели распределения партонов и голографической модели квантовой хромодинамики (КХД). И мы сравнили результаты каждой из этих моделей с расчетами решетчатой КХД", — объясняет Мезиани.
В результате этих сравнений исследователи обнаружили, что в радиусе глюонной массы, ограниченной центром протона, преобладают гравитоноподобные глюоны, а также больший радиус, состоящий из скалярных глюонов и выходящий за пределы пространства, занятого движением кварков. Учитывая его массу, размер протона, таким образом, кажется меньше, чем при рассмотрении его заряда, поскольку большая часть этой массы содержится в его центре.