Что происходит внутри протона, движущегося со скоростью света — новая теория

Более 2000 лет ученые считали атом наименьшей возможной частицей. Затем они обнаружили, что у него есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное электронами. После этого они обнаружили, что сами протоны и нейтроны имеют сложный внутренний мир, полный кварков и антикварков, удерживаемых вместе с помощью суперклеевой силы, созданной глюонами.

Художественная визуализация структуры протона, раскрывающая сложную и динамическую систему кварков и глюонов. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

«Протоны вместе с нейтронами составляют более 99 процентов видимой Вселенной, то есть все, от галактик и звезд до нас », — сказал Юн Чжао, физик из Министерства энергетики США (DOE) Аргоннская национальная лаборатория.«Тем не менее, мы все еще многого не знаем о богатой внутренней жизни протонов и нейтронов ».

Чжао является соавтором статьи об инновационном методе расчета кварковой и глюонной структуры протона, движущегося со скоростью света. Название команды — эффективная теория большого импульса, сокращенно LaMET, которая работает совместно с теорией, называемой решеточной квантовой хромодинамикой (QCD).

Протон крошечный — около 100,000 раз меньше атома, поэтому физики часто моделируют его как точку без размеров. Но эти новые теории могут предсказать, что происходит внутри протона со скоростью света, как если бы он был трехмерным телом.

Концепция импульса жизненно важна не только для ЛаМЕТ, но и для физики в целом. Он равен скорости объекта, умноженной на его массу. Более полувека назад, как объяснил Чжао, простая модель кварка физиков Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга раскрыла некоторую внутреннюю структуру протона в состоянии покоя (без импульса). На основе этой модели ученые изобразили протон как состоящий из трех кварков и предсказали их основные свойства, такие как электрический заряд и спин.

Более поздние эксперименты с протонами, ускоренными до скорости, близкой к скорости света, продемонстрировали, что протон даже более сложен, чем первоначально предполагалось. Например, он содержит бесчисленное количество взаимодействующих друг с другом частиц, а не просто три кварка, связанных глюонами. И глюоны могут ненадолго превратиться в кварк-антикварковые пары, прежде чем они разрушат друг друга и снова станут глюоном. Подобные ускорители элементарных частиц в DOEНациональная ускорительная лаборатория им. Ферми дала большинство из этих результатов.

«Когда вы ускоряете протон и сталкиваете его с целью, происходит волшебство, открывающее множество его тайн », — сказал Чжао.

Примерно через пять лет после того, как простая модель кварков потрясла физическое сообщество, модель, предложенная Ричардом Фейнманом, изобразила протон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, как луч, несущий бесконечное количество кварков и глюонов, движущихся в одном направлении. Он назвал эти частицы«партоны ». Его партонная модель вдохновила физиков на определение набора величин, описывающих 3D структура протона. Затем исследователи могли измерить эти величины в экспериментах на ускорителях частиц.

Более ранние расчеты с использованием наилучшей на то время теории (решетка QCD) дал некоторые проясняющие подробности о распределении кварков и глюонов в протоне. Но у них был серьезный недостаток: они не могли точно различать быстро и медленно движущиеся партоны.

Сложность заключалась в том, что решетка QCD мог только вычислить свойства протона, не зависящие от его импульса. Но применение партонной модели Фейнмана к решетке QCD требует знания свойств протона с бесконечным импульсом, а это означает, что все протонные частицы должны двигаться со скоростью света. Частично восполняя этот пробел в знаниях, LaMET предлагает рецепт для расчета физики партонов на основе решетки. QCD для большого, но конечного импульса.

«Мы разрабатывали и улучшали LaMET в течение последних восьми лет », — сказал Чжао.«Наша статья резюмирует эту работу ».

Работает на суперкомпьютерах, решетке QCD расчеты с помощью LaMET дают новые и улучшенные предсказания о структуре протона, движущегося со скоростью света. Эти предсказания затем можно будет проверить на новом уникальном в своем роде установке под названием Электронно-ионный коллайдер (EIC). Этот объект строится на DOEБрукхейвенская национальная лаборатория.

«Наш LaMET также может предсказывать полезную информацию о количествах, которые чрезвычайно трудно измерить », — сказал Чжао.«А с достаточно мощными суперкомпьютерами в некоторых случаях наши прогнозы могут быть даже более точными, чем можно измерить на EIC. »

С более глубоким пониманием 3D кварк-глюонная структура вещества с помощью теории и EIC измерений, ученые готовы получить гораздо более подробную картину протона. Тогда мы вступим в новую эру партонной физики.