Скрытая архитектура материи: картографирование кварк-глюонного моря с помощью изотопов водорода

Скрытая архитектура материи: картирование кварк-глюонного моря с помощью изотопов водорода

На протяжении десятилетий физики стремились составить карту хаотичной внутренней динамики протона и нейтрона — фундаментальных строительных блоков атомного ядра. Несмотря на их повсеместное распространение, точное распределение частиц внутри них — кварков и связывающих их глюонов — оставалось неуловимым из-за экстремальных масштабов и задействованных сил. Однако знаковый эксперимент, проведенный в Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) Министерства энергетики США, позволил достичь нового уровня точности в этой субатомной картографии. Используя простейший элемент во Вселенной, водород, и его более тяжелые изотопы, исследователи уточнили наше представление о внутренней структуре материи, сократив экспериментальные неопределенности, сохранявшиеся на протяжении целого поколения.

Исследование, подробности которого недавно были изложены в сообщениях из Лос-Анджелеса Кларенсом Оксфордом, сосредоточено на уникальных свойствах ядер водорода. Водород занимает первое место в Периодической таблице, так как его наиболее распространенная форма, протий, состоит из одного протона. В то время как протоны стабильны и легко поддаются изучению в лаборатории, нейтроны представляют собой серьезную проблему для ядерных физиков. Изолированный нейтрон нестабилен и распадается примерно за десять минут, что не позволяет ученым использовать их в качестве неподвижных мишеней. Чтобы обойти это ограничение, коллаборация в Лаборатории Джефферсона обратилась к дейтерию — изотопу водорода, содержащему один протон и один нейтрон. Сравнивая рассеяние электронов на протии и дейтерии, команда смогла эффективно изолировать поведение нейтрона, используя эти два изотопа как зеркало высокого разрешения для отражения различий в их внутренней архитектуре.

Зондирование ядра с помощью CEBAF

Методология этого открытия опиралась на ускорительный комплекс Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), ведущую установку для пользователей Управления науки Министерства энергетики США, которая обслуживает мировое сообщество, насчитывающее более 1650 ядерных физиков. В ходе эксперимента исследователи направляли высокоинтенсивный и высокоэнергетический электронный пучок на мишени из жидкого водорода и дейтерия. Когда эти электроны сталкивались с нуклонами, они рассеивались под разными углами и с разной энергией. Эти рассеянные частицы затем тщательно регистрировались спектрометром Super High Momentum Spectrometer (SHMS), расположенным в Экспериментальном зале C. Этот процесс, часто называемый глубоконеупругим рассеянием (DIS), позволяет физикам «заглянуть» внутрь протона и нейтрона, используя электроны в качестве микроскопических зондов, ударяющих по отдельным кваркам.

Регистрируя энергию и углы вылетающих электронов, исследовательская группа определила отношение «сечений» — статистическую вероятность того, что электрон будет взаимодействовать с мишенью определенным образом. Сравнение сечений дейтрона и одиночного протона позволило команде отсечь общие переменные и сосредоточиться на конкретном вкладе нейтрона. Этот сравнительный подход жизненно важен, поскольку он нивелирует многие систематические экспериментальные «шумы», обеспечивая более чистый сигнал распределения кварков, который определяет внутреннее состояние нуклона.

Уточнение основ квантовой хромодинамики

Полученные данные предоставляют критически важную информацию для квантовой хромодинамики (КХД) — теоретической базы, описывающей сильное взаимодействие, силу, удерживающую кварки и глюоны вместе. Внутри нуклона «валентные» кварки определяют идентичность частицы: протон содержит два u-кварка и один d-кварк, в то время как нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Однако эти валентные кварки существуют в «море» виртуальных кварков и глюонов, которые постоянно возникают и исчезают. Эксперимент в Лаборатории Джефферсона был сосредоточен на области валентных кварков, в частности, на измерении относительной вероятности рассеяния на d-кварках по сравнению с u-кварками в зависимости от их импульса.

Точность этого нового измерения беспрецедентна. Исторически неопределенность в отношении сечений протона к дейтрону в этой кинематической области колебалась между десятью и двадцатью процентами. Недавний эксперимент в Лаборатории Джефферсона успешно снизил эту неопределенность до уровня менее пяти процентов. Это резкое улучшение позволяет теоретикам уточнять глобальные фиты и модели распределения кварков с уровнем уверенности, который ранее был недостижим. Это дает более точную карту того, как импульс распределяется между составляющими частицами ядра, предлагая более четкую картину внутреннего баланса импульса нуклона.

Последствия для Стандартной модели и не только

Помимо простого уточнения существующих моделей, эти данные имеют важное значение для всей физики элементарных частиц. Эксперимент охватил более высокие кинематические области, чем предыдущие исследования, расширив фазовое пространство, в котором можно проверить структуру кварков. Это особенно актуально для «кварк-адронного дуализма» — явления, при котором поведение материи может быть описано либо через призму отдельных кварков и глюонов, либо как коллективных составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Понимание этого перехода необходимо для полного описания сильного взаимодействия.

Кроме того, эти высокоточные измерения служат эталоном для Стандартной модели физики элементарных частиц. Точное знание распределения кварков является необходимым условием для идентификации «новой физики» на более крупных установках, таких как Большой адронный коллайдер (LHC). Когда физики ищут аномалии в столкновениях высоких энергий, они должны сначала вычесть известные фоновые процессы квантовой хромодинамики. Данные Лаборатории Джефферсона обеспечивают более устойчивый фундамент для этих расчетов, гарантируя, что любые отклонения, обнаруженные в будущих экспериментах, действительно указывают на новые явления, а не на ошибки в нашем понимании базовой структуры нуклона.

Путь к сотрудничеству

Успех эксперимента стал результатом тесной координации между несколькими крупными исследовательскими проектами, включая программу изучения эффекта ЕМС и коллаборации BONuS12 и MARATHON. Сравнивая различные экспериментальные методы и кинематический охват, эти группы стремятся лучше понять «эффекты ядерной среды» — тонкие способы, которыми окружение ядра изменяет поведение протонов и нейтронов внутри него. Интеграция этого нового набора данных во всемирный репозиторий ядерной информации создает общий ресурс, который будет приносить пользу научному сообществу в течение многих лет.

Заглядывая в будущее, исследователи из Лаборатории Джефферсона ожидают, что эти результаты проложат путь для еще более амбициозных проектов, таких как те, что запланированы для строящегося Электрон-ионного коллайдера (EIC). По мере того как ядерная физика вступает в эру исследований «высокого разрешения», скромный атом водорода остается незаменимым инструментом. Раздвигая границы точности, этот эксперимент не только нанес на карту внутреннее море кварков и глюонов, но и приблизил нас на шаг к пониманию фундаментального происхождения массы и того самого «клея», который удерживает видимую Вселенную вместе.