Открытие физиков из России и США углубило главную загадку протона

Протоны и нейтроны образован из трех кварков
© Lawrence Berkeley National Laboratory

«Прошлые эксперименты на RHIC показали, что глюоны могут играть важную роль в формировании спина протона. Теперь нам удалось выяснить, что «море» виртуальных частиц, постоянно возникающих и аннигилирующих внутри протонов, тоже влияет на его свойства. Вдобавок, мы выяснили, что эти пары появляются далеко не случайным образом. Теперь мы обязательно должны глубже заглянуть в это «море», — рассказывает Эрнст Зихтерманн (Ernst Sichtermann) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США).

По современным представлениям, все элементарные частицы состоят из небольших объектов, которые физики называют кварками. Протоны, нейтроны и прочие «тяжелые» частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Их меньшие собратья, так называемые мезоны, содержат в себе два элемента – «обычный» кварк и антикварк, базовую составляющую антиматерии.

Каждый кварк обладает своим собственным уникальным набором свойств, в том числе зарядом, спином и прочими квантовыми характеристиками. В прошлом ученые считали, что их сумма полностью определяет то, как ведет себя сложенная из них частица. К примеру, отсутствие заряда у нейтрона объясняется тем, что он состоит из одного верхнего кварка (u), заряженного положительно, и двух его нижних «кузенов»(d), имеющих вдвое меньший отрицательный заряд.

В конце восьмидесятых годов прошлого века физики, работавшие с ускорителем EMC в стенах ЦЕРНа, обнаружили, что это правило не работает как минимум для одного свойства протона – его спина. Как показали первые замеры этой характеристики для верхних и нижних кварков, их сумма в лучшем случае объясняла четверть реального спина протона, а часть данных вообще намекала на то, что они никак не участвуют в его формировании.

Эта проблема, получившая громкое имя «протонный спиновый кризис», так и не была разгадана за последующие сорок лет. Сегодня над ее решением работает ускоритель RHIC – единственная в мире установка, способная вырабатывать пучки протонов, чей спин направлен в определенную сторону.

Сталкивая их с потоком частиц, чьи спины ориентированы случайным образом, ученые наблюдали за тем, как возникают и распадаются так называемые W-бозоны, переносчики слабых ядерных взаимодействий. Существует два типа подобных частиц, заряженные отрицательно и положительно. Первые возникают в результате распада нижних кварков и антикварков, а вторые – их «верхних» кузенов.

И те, и другие бозоны, как объясняют физики, «уносят» с собой информацию о том, каким спином обладали составляющие протона до его уничтожения. Соответственно, наблюдения за их распадами позволяют понять, из чего состоит эта характеристика частиц и что управляет ее поведением.

В прошлом, как отмечают Зихтерманн и его коллеги, теоретики считали, что два других типа «жителей» протонов – глюоны и «виртуальные» пары кварков и антикварков, возникающие в протоне в результате квантовых флуктуаций вакуума, не влияют на спин протона по двум причинам. Для первых это было «запрещено» их свойствами, а вторые рождались слишком случайно для того, чтобы внести какой-то дисбаланс в устройство протона.

Многолетние наблюдения за распадами W-бозонов на RHIC показали, что это далеко не так, и раскрыли одно крайне необычное и пока необъяснимое свойство «виртуальных» антикварков в формировании спина.

Оказалось, что пары кварков и антикварков формируются внутри протонов далеко не случайным образом – в них возникает гораздо больше d-антикварков, чем u-антикварков. При этом, по пока необъяснимым причинам, вторые влияют на спин протона гораздо сильнее, чем их более многочисленные собратья. По расчетам ученых, на их долю приходится от 5 до 20% от общего значения спина протона.