Протон не такой простой, как кажется, внутри него скрывается бурлящее море частиц

Представления о протоне менялись так же стремительно, как и сама наука. Сначала его считали неделимой элементарной частицей, потом — связкой из трех кварков, а теперь выясняется, что внутри него целый кипящий котел из разных частиц. Как за сто с лишним лет изменилось наше понимание того, что находится в центре атома?

Само слово «атом» родом из Древней Греции и означает «неделимый». Долгое время все были уверены, что меньше атома ничего не бывает. Но в конце XIX — начале XX века физики разбили эту теорию в пух и прах, открыв субатомные частицы.

Эрнест Резерфорд 1-й барон Резерфорд Нельсонский

Прошло больше века с тех пор, как Резерфорд нашел положительно заряженную частицу в каждом атоме, а ученые до сих пор до конца не разобрались, что такое протон. В школе их обычно рисуют как безликие шарики с единичным положительным зарядом. Если копнуть глубже, говорят, что это пучок из трех кварков: двух верхних и одного нижнего.

Но даже это сильное упрощение. За десятилетия исследований физики нарисовали куда более сложную картину, которую словами или картинками передать почти невозможно.

Художественная иллюстрация изменения представлений о составе протона: 1980-ые - 2030-ые гг.

Как разбить протон на части и изучить его состав

Протонный микроскоп. Детектор SLAC 1968г.

В ускорителе SLAC физики впервые разогнали электроны так сильно, что результаты экспериментов стали совсем другими. При глубоко неупругом рассеянии электроны врезались в протон с такой силой, что разбивали его и отскакивали от точечных осколков — кварков.

Чем выше энергия электронов, тем более мелкие детали протона можно разглядеть. Энергия электрона задает максимальное разрешение такого эксперимента. И чем мощнее коллайдеры, тем полнее картина того, из чего состоит протон.

Коллайдеры с большей энергией дают и более широкий спектр результатов столкновений. Исследователи могут выбирать разные подмножества для анализа. Эта гибкость и помогла разобраться в кварках, которые внутри протона движутся с разным импульсом.

Измеряя энергию и траекторию каждого рассеянного электрона, ученые определяют, от какого именно кварка он отскочил. Статистический анализ множества таких экспериментов, как перепись населения, рассказывает, как распределен импульс протона и из каких кварков он состоит.

Больше, чем только три кварка

Первые опыты на SLAC подтвердили теорию Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга: протон состоит из трех кварков. Электроны после столкновения разлетались так, будто врезались в три отдельные частицы, каждая из которых несет треть импульса протона.

Но кварковая модель — это сильное упрощение с серьезными изъянами. Например, она не объясняет вращение (спин) протона — квантовое свойство, похожее на угловой момент. Спин протона равен ½, как и у каждого из его верхних и нижних кварков.

К тому же исследования показали: масса двух верхних и одного нижнего кварка составляет всего около 1% от общей массы протона. Значит, внутри должно быть что-то еще — другие элементарные частицы, которые объяснят свойства этой субатомной частицы.

Упрощенная модель структуры протона.

Множество кварков и антикварков в одной частице

В экспериментах HERA физики смогли изучить электроны, отскочившие от кварков с чрезвычайно низким импульсом, включая те, которые несут всего 0,005% от общего импульса протона. Результаты наблюдения подтвердили, что состав протона гораздо сложнее кварковой модели Гелл-Манна и Цвейга: электроны отскакивали от В«водоворотаВ» низкоимпульсных кварков и их аналогов из антиматерии, антикварков.

Сложная структура из множества кварков и антикварков.

Результаты подтвердили сложную и диковинную теорию квантовой хромодинамики. Это квантовая теория сильного взаимодействия, которое связывает кварки. Эта модель наделяет кварки новым свойством, условно называемым В«цветомВ», и вводит новые частицы, глюоны, которые переносят сильное взаимодействие между кварками.

Каждый кварк и каждый глюон имеют один из трех типов В«цветовыхВ» 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.

Согласно теории квантовой хромодинамики, глюоны могут улавливать мгновенные всплески энергии. Обладая этой энергией, эти частицы распадаются на кварк и антикварк, каждый из которых несет лишь небольшой импульс, прежде чем пара аннигилирует и исчезнет. Именно это В«мореВ» переходных глюонов, кварков и антикварков было открыто чувствительными детекторами HERA.

Визуализация протона

Очаровательный новый вид

Команда под руководством Хуана Роjo из Национального института субатомной физики в Нидерландах и Амстердамского университета VU проанализировала больше 5 тысяч снимков протонов за последние 50 лет. С помощью машинного обучения они определяли, как движутся кварки и глюоны внутри протона.

Новый анализ показал размытый фон на изображениях, который раньше никто не замечал. При мягких столкновениях, едва разрывавших протон, большая часть импульса приходилась на обычные три кварка: два верхних и один нижний. Но небольшая часть импульса, как выяснилось, исходила от «очаровательного» кварка и очарованного антикварка. Это крупные элементарные частицы, каждая из которых тяжелее всего протона больше чем на треть.

Исследование показало: хотя при высокоэнергетических столкновениях глюоны могут разделиться на любой из шести типов кварков, если хватает энергии, очарованные кварк и антикварк образуются гораздо чаще. Поэтому они заметны даже в относительно мягких столкновениях.

В таких столкновениях протон предстает как квантовая смесь или суперпозиция нескольких состояний. Обычно электрон сталкивается с тремя легкими кварками. Но время от времени он встречает более редкую «молекулу» из пяти кварков: верхний, нижний и очарованный кварк с одной стороны, и верхний кварк с очарованным антикварком с другой.

Эти результаты важны не только для теории. Например, при столкновении протонов космического излучения с частицами в земной атмосфере может выделиться достаточно энергии. В таких столкновениях протоны могут распадаться на очарованные кварки и «проливаться» на Землю в виде высокоэнергетических нейтрино. Это может запутать наблюдателей, которые изучают с помощью этих частиц далекую Вселенную.

В итоге это должно помочь ученым окончательно выяснить, откуда берется вращение протона, и ответить на другие фундаментальные вопросы о загадочной частице, из которой состоит большая часть обычной (барионной) материи вокруг нас.

Еще немного про глюоны:

Масса глюонов в массе атома углерода: 1,99 × 10 в -26 степени килограмма (0,00000000000000000000000000199 кг)

Масса глюонов в массе человека: ~62 килограмма

Масса глюонов в массе Земли: 5,972 × 10 в 24 степени килограммов (5,972,000,000,000,000,000,000,000 кг)

Масса глюонов в массе Солнца: 1,989 × 10 в 30 степени килограммов

Чтобы вы понимали масштаб: масса всех глюонов в нашей галактике Млечный Путь примерно в 1,5 триллиона раз превышает массу Солнца.

А если взять всю видимую Вселенную, то масса глюонов в ней достигает 10 в 53 степени килограммов. Цифра, от которой голова идет кругом.

P.P.S.: Этот пост родился из комментария пользователя @4OT4. Да, я копипастер, но своих подписчиков уважаю и всегда стараюсь ответить по мере сил и свободного времени. Наверное, я не ответил полностью на вопрос из комментария, но хотя бы попытался.