Двадцать лет назад физики начали исследовать загадочную асимметрию внутреннего строения протона. Результаты их работы, опубликованные в конце февраля 2021 года, объясняют, как антивещество помогает стабилизировать ядро каждого атома.
Издалека кажется, что протон состоит из трех частиц под названием кварки. Но если приглядеться получше, можно увидеть множество появляющихся и исчезающих частиц
Очень редко упоминается тот факт, что протоны — позитивно заряженные частицы в центре атома — являются отчасти антивеществом.
В школе нам говорили, что протон представляет собой группу из трех элементарных частиц под названием кварки — два u-кварка (верхних) и один d-кварк (нижний), чьи электрические заряды +2/3 и -1/3 соответственно в сумме дают протону заряд +1. Но за этой элементарной картиной скрывается гораздо более странная и еще неразгаданная история.
На самом деле, внутри протона вращается вихрь из меняющегося количества шести типов кварков, их противоположно заряженных аналогов из антивещества (антикварков) и глюонов, элементарных безмассовых частиц, которые связывают вместе другие частицы, трансформируются в них и быстро множатся. Каким-то образом этот бурлящий вихрь оказывается совершенно стабильным и на первый взгляд простым, имитируя по определенным аспектам трио кварков. «То, как это все функционирует, честно говоря, похоже на чудо», — отметил Дональд Гисаман, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали, что различные типы антивещества в нем будут распределены равномерно, но было похоже, что количество нижних аниткварков значительно превышало количество верхних антикварков. Затем десять лет спустя другая группа исследователей заметила намеки на неподдающиеся объяснению вариации в соотношении верхних и нижних антикварков. Но эти результаты были на грани чувствительности эксперимента.
Итак, 20 лет назад Дональд Гисаман и его коллега Пол Раймер начали работать над новым экспериментом, чтобы получше разобраться в этом вопросе. Эксперимент, получивший название SeaQuest («Морской квест»), наконец завершился, и исследователи опубликовали его результаты в журнале Nature. Они измерили внутреннее антивещество протона тщательнее, чем когда бы то ни было, и обнаружили, что на каждый верхний антикварк в среднем приходится 1,4 нижних антикварка.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Эти данные непосредственно говорят в пользу двух теоретических моделей протонного моря. «Появилось первое реальное доказательство, подтверждающее эти модели», — сказал Раймер.
Одна из них — модель «пионного облака» — это популярный подход, существующий уже несколько десятилетий, который делает упор на тенденцию протона испускать и реабсорбировать частицы под названием пионы, которые принадлежат к группе частиц, известных как мезоны. Вторая, так называемая статистическая модель, рассматривает протон как контейнер, наполненный газом.
Дальнейшие запланированные эксперименты помогут исследователям выбрать одну из этих двух моделей. Но какая бы из них ни была верной, массив данных эксперимента SeaQuest о внутреннем антивеществе протона принесет непосредственную пользу, особенно физикам, которые сталкивают протоны на околосветовых скоростях на Большом адронном коллайдере. Обладая точной информацией о составе сталкиваемых объектов, они смогут более эффективно разбирать продукты, оставшиеся после столкновения, в поисках доказательств существования новых частиц или эффектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, который оказывает помощь в анализе данных БАК, считает, что результаты эксперимента SeaQuest могут иметь большое влияние на поиски новой физики, которые в настоящее время «ограничены нашими знаниями о структуре протона, в частности о его антивеществе».
Третий не лишний
В течение короткого периода времени около полувека назад физики полагали, что разобрались с протоном.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, получившую впоследствии название кварковая: идея заключалась в том, что протоны, нейтроны и связанные с ними более редкие частицы представляют собой пучки из трех кварков (как их назвал Гелл-Манн), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема объясняла какофонию частиц, разлетающихся из ускорителей частиц высокой энергии, поскольку спектр их зарядов мог быть построен из двух- и трехчастных комбинаций. Затем, примерно в 1970 году, исследователи, работающие на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), казалось, подтвердили кварковую модель: выстрелив высокоскоростными электронами в протоны, они увидели, как электроны отрикошетили от объектов внутри.
Но вскоре картина стала менее ясной. «По мере того, как мы все тщательнее пытались измерить свойства этих трех кварков, мы обнаружили, что происходит что-то еще», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), работающий над кварковыми экспериментами с 1970-х годов.
Изучение импульса трех кварков показало, что их массы составляют малую часть общей массы протона. Кроме того, когда исследователи на SLAC стреляли электронами на большей скорости в протоны, они увидели, что электроны отталкивают больше частиц внутри. Чем быстрее электроны, тем короче их длина волны, что сделало их чувствительными к более мелким элементам протона; это похоже на увеличение разрешения микроскопа. Открывались все новые и новые внутренние частицы, которым, казалось, нет конца. «Мы не знаем, где предел и какое самое высокое разрешение возможно получить», — сказал Гисаман.
Результаты стали иметь больше смысла, когда физики разработали истинную теорию, к которой кварковая модель лишь приближается: квантовая хромодинамика или КХД. КХД, сформулированная в 1973 году, описывает «сильное взаимодействие», самую большую силу в природе, с помощью которой частицы под названием глюоны связывают пучки кварков.
КХД предсказывает тот самый вихрь, который был выявлен в экспериментах по рассеянию. Сложности возникают из-за того, что глюоны ощущают ту самую силу, которую они несут. Этим они отличаются от фотонов, несущих более простую электромагнитную силу. Это «самоуправство» создает беспорядок внутри протона, давая глюонам полную свободу действий для возникновения, размножения и расщепления на кратковременные пары кварков и антикварков. Уравновешивая друг друга, эти близко расположенные противоположно заряженные кварки и антикварки издалека остаются незамеченными. Только три несбалансированных «валентных» кварка — два верхних и нижний — составляют общий заряд протона. Но физики поняли, что стреляя электронами на большей скорости, они поражали меньшие цели.
Однако странности на этом не закончились.
Из-за самоуправства глюонов уравнения КХД невозможно решить, поэтому у физиков не получалось и до сих пор не получается рассчитать точные прогнозы теории. Но у них не было оснований предполагать, что глюоны будут расщепляться на один тип пары кварк-антикварк (а именно нижний) чаще, чем на другой. «Мы ожидали, что будет появляться равное количество тех и других пар», — сказала Мэри Альберг, теоретик-ядерщик из Сиэтлского университета, объясняя свои доводы того времени.
Мэри Альберг, физик-ядерщик из Сиэтлского университета, и ее соавторы давно утверждают, что пион играет важную роль в формировании сущности протона.
Фото предоставлено Сиэтлским университетом
Вот почему исследователей из New Muon Collaboration в Женеве так шокировали результаты эксперимента по рассеянию мюонов. В 1991г. они столкнули мюоны (более тяжелые родственники электронов) с протонами и дейтронами, состоящими из одного протона и одного нейтрона, сравнили результаты и пришли к выводу, что в протонном море больше нижних антикварков, чем верхних.
Части протона
Вскоре теоретики предложили несколько возможных вариантов объяснения асимметрии протона.
Один из них связан с пионом. С 1940-х годов физики наблюдали, как протоны и нейтроны обмениваются пионами внутри атомных ядер, как игроки в команде, бросающие друг другу баскетбольные мячи, что помогает им держаться вместе. Размышляя над структурой протона, исследователи пришли к выводу, что он также может подбрасывать баскетбольный мяч себе, то есть может ненадолго испускать положительно заряженный пион, превращаясь на это время в нейтрон, и затем реабсорбировать его. «Если во время эксперимента вы думаете, что смотрите на протон, это не так, потому что на какое-то время этот протон будет переходить в состояние пары нейтрон-пион», — сказал Альберг.
Если говорить точнее, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку этот призрачный пион имеет нижний антикварк (пион с верхним антикварком не может так легко материализоваться), такие теоретики, как Альберг, Джеральд Миллер и Тони Томас, утверждали, что модель пионного облака объясняет большее количество нижних антикварков протона, выявленное в результате измерений.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Появились и другие аргументы. Клод Буррели и его коллеги из Франции разработали статистическую модель, которая рассматривает внутренние частицы протона как молекулы газа в комнате, хаотично двигающиеся на разных скоростях, которые зависят от того, целым или полуцелым количеством момента импульса обладает частица. При настройке с учетом данных многочисленных экспериментов по рассеянию модель предположила преобладание антикварков.
Прогнозы двух вышеупомянутых моделей не были идентичными. Большую часть общей массы протона составляют энергии отдельных частиц, которые прорываются в протонное море и из него, и эти частицы несут различные энергии. Модели по-разному спрогнозировали, как должно измениться соотношение верхних и нижних антикварков по мере подсчета антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют связанную с этим величину под названием доля импульса антикварка.
Когда исследователи в Фермилабе в 1999 году в рамках эксперимента NuSea измерили соотношение верхних и нижних антикварков в качестве функции импульса антикварка, результат их работы просто воодушевил всех, вспоминает Альберг. Эти данные свидетельствуют о том, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что они находились на грани диапазона обнаружения прибора) внезапно оказалось больше верхних антикварков, чем нижних. «Каждый теоретик говорил: ‘Погодите-ка’, — сказал Альберг, — Почему кривая развернулась, когда эти антикварки получили большую долю импульса?»
Пока теоретики ломали голову над этим вопросом, Гисаман и Раймер, которые работали над экспериментом NuSea и знали, что данным на грани иногда не стоит доверять, решили построить эксперимент, где можно было бы в комфортных условиях исследовать более широкий диапазон импульсов антикварка. Они назвали его SeaQuest.
Из того, что было
С кучей вопросов о протоне, но без денег, они начали собирать эксперимент из использованных деталей. «Нашим девизом было: снижай количество отходов, используй повторно, перерабатывай», — сказал Раймер.
Они приобрели несколько старых сцинтилляторов в лаборатории в Гамбурге, оставшиеся детекторы частиц в Лос-Аламосской национальной лаборатории и железные пластины, блокирующие радиацию, которые изначально были использованы в циклотроне Колумбийского университета в 1950-х годах. У них получилось применить магнит размером с комнату, использованный в эксперименте NuSea, и провести свой новый эксперимент на ускорителе протонов в Фермилабе. Получившийся из этих деталей «Франкенштейн» тем не менее был не лишен своего очарования. По словам Брауна, который помог найти все части, звуковой индикатор, сигнализирующий, что протоны поступают в устройство, был сделан 50 лет назад: «Когда он издает звуковой сигнал, становится тепло на душе».
Физик-ядерщик Пол Раймер (сверху) с устройством для эксперимента SeaQuest
Эксперимент в Фермилабе, собранный в основном из использованных деталей
И наконец они его запустили. В эксперименте протоны поражают две цели: пузырек с водородом, который по сути представляет собой протоны, и пузырек с дейтерием, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона.
При попадании в любую из двух целей, один из валентных кварков протона иногда аннигилирует с одним из антикварков протона или нейтрона мишени. «Аннигиляция имеет уникальную сигнатуру и производит мюон и антимюон», — сказал Раймер. Эти частицы вместе с другим «мусором», образовавшимся в результате столкновения, затем врезаются в старые железные пластины. «Мюоны могут проходить сквозь них, а все остальные частицы блокируются», — сказал он. Обнаружив мюоны на обратной стороне пластин и восстановив их исходные траектории и скорости, «вы можете восстановить хронологию событий, чтобы выяснить, какую долю импульса несут антикварки».
Поскольку протоны и нейтроны зеркально отражают друг друга, там, где у одного расположены частицы верхнего типа, у другого — нижнего типа, и наоборот. Сравнив данные из двух пузырьков, можно сразу увидеть соотношение верхних антикварков и нижних антикварков в протоне, но этому, конечно, предшествовало 20 лет работы.
В 2019 году Альберг и Миллер на основе модели пионного облака рассчитали, к каким результатам должен прийти эксперимент SeaQuest. Их прогноз вполне совпадает с новыми данными SeaQuest.
Новые данные, которые показывают постепенное повышение, а затем выход на плато в соотношении между нижними и верхними антикварками, а не внезапную реверсию, также совпадают с результатами более гибкой статистической модели, разработанной Буррели и его коллегами. И все же Миллер называет эту конкурирующую модель «описательной, а не прогнозирующей», поскольку она настроена, чтобы соответствовать данным, а не выявлять физический механизм, объясняющий преобладание антикварков. «А в наших расчетах я горжусь как раз тем, что они представляют собой истинный прогноз», — сказал Альберг. «Мы не настраивали никакие параметры заранее».
В электронном письме Буррели утверждал, что «статистическая модель более мощная, чем модель Альберга и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты по рассеянию как с поляризованными, так и не поляризованными частицами. Миллер категорически не согласился, отметив, что модель пионных облаков объясняет не только состав антивещества протона, но и магнитные моменты различных частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связывание и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что пионный механизм «важен в широком смысле для таких вопросов, как: «Почему существуют ядра? Почему существуем мы?».
В конечном стремлении понять протон решающим фактором может быть спин или собственный момент импульса. Эксперимент по рассеянию мюонов в конце 1980-х показал, что спины трех валентных кварков протона составляют не более 30% от общего спина протона. «Кризис протонного спина» можно выразить следующим вопросом: «что же составляет остальные 70%?» И как снова сказал опытный исследователь Чак Браун, старожил Фермилаб, «должно быть, что-то еще».
Экспериментаторы будут исследовать спин протонного моря в Фермилабе и, затем, в проектируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над расчетами полного «мезонного облака», окружающего протоны, которое, помимо пионов, включает более редкие «ро-мезоны» (rho mesons). В отличие от пионов, ро-мезоны обладают спином, поэтому они каким-то образом должны влиять на общий спин протона, что Альберг и Миллер и надеются определить.
По словам Брауна, эксперимент Фермилаб SpinQuest, в котором участвуют многие исследователи из SeaQuest и используются детали этого эксперимента, почти готов к работе. «Если повезет, мы получим данные этой весной; это будет зависеть, по крайней мере, частично, от прогресса в разработке вакцины против вируса. Забавно, что решение столь глубокого и непонятного вопроса о внутреннем строении ядра, зависит от ситуации с вирусом COVID в стране. Все в мире взаимосвязано, не так ли?».
