Что такого сложного в измерении сильного взаимодействия?

В сентябре участники эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере объявили, что они измерили силу сильного взаимодействия с беспрецедентной точностью.

Что это значит и почему физики находят это захватывающим?

Давайте начнем с сильного взаимодействия. Вы, вероятно, знаете, что мир вокруг вас — ваш телефон, ваш дом, ваша кошка — состоит из атомов. И что эти атомы состоят из протонов и нейтронов, плотно связанных в ядре, вокруг которых со свистом носятся электроны. Возможно, вы также знаете, что эти протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками, которые, насколько нам известно, не могут быть разложены на какие-либо более мелкие компоненты.

“It’s quite counterintuitive, but when you try to take two quarks apart, the coupling actually gets stronger.”/“Это довольно нелогично, но когда вы пытаетесь разделить два кварка, связь на самом деле становится сильнее”.

Что удерживает эти кварки вместе? Что удерживает их приклеенными друг к другу, чтобы они могли образовывать нуклоны внутри атомов, которые создают молекулы, из которых состоим мы с вами? Это было бы сильным взаимодействием.

“Сильное взаимодействие — это одно из того, что мы считаем четырьмя фундаментальными силами”, — объясняет Стефано Камарда, исследователь эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере в Церне.

Четыре фундаментальные силы включают гравитацию, электромагнитное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и, наконец, сильное взаимодействие. Эти силы — то, что удерживает вместе или раздвигает все в нашей Вселенной. Например, гравитация связывает наши галактики вместе; электромагнитное взаимодействие притягивает электроны и протоны в атоме; слабое взаимодействие обеспечивает термоядерные реакции на солнце; а сильное взаимодействие удерживает вместе материю, из которой состоят наши тела и окружающий мир.

Каждое из этих взаимодействий обладает разной силой. Гравитация может распространяться между галактиками, находящимися на расстоянии тысяч световых лет друг от друга, тогда как сильное взаимодействие действует только в масштабе протона, объем которого составляет квадриллионную долю метра.

Но именно на этой незначительной стадии сильное взаимодействие получает свое название. Внутри атома гравитация практически не влияет на то, как взаимодействуют протоны или кварки друг с другом; сильное взаимодействие, с другой стороны, невероятно мощное.

Слишком маленькое, чтобы наблюдать

Это сила тех сильных силовых связей между кварками, которые составляют большую часть массы протона.

“Масса кварков составляет лишь около процента от массы нуклона”, — говорит Катерина Липка, экспериментатор, работающая в немецком исследовательском центре DESY, где глюон — частица, переносящая сильное взаимодействие, — был впервые обнаружен в 1979 году.

“Остальное — это энергия, содержащаяся в движении глюонов. Масса вещества определяется энергией сильного взаимодействия”.

Учитывая важность сильного взаимодействия для самого нашего существования, имеет смысл, что ученые хотят понять, как оно работает. Для этого они измеряют фундаментальный параметр сильного взаимодействия, называемый “альфа-сильным”, или as. Альфа strong сообщает нам о силе взаимодействия в зависимости от энергии или расстояния, на котором исследуется материя.

Но изучение сильного взаимодействия особенно сложно. “Причина этого кроется в природе сильного взаимодействия”, — говорит Тевонг Ю, теоретик из Королевского колледжа Лондона.

Как вы можете наблюдать, экспериментируя с магнитами, сила электромагнитного взаимодействия увеличивается, когда вы сближаете две частицы, и ослабевает, когда вы их разъединяете. Для нас это имеет смысл. Однако сильное взаимодействие демонстрирует противоположное поведение. “Это довольно нелогично, но когда вы пытаетесь разделить два кварка, связь на самом деле становится сильнее”, — говорите вы.

Представьте себе два кварка, соединенных сильным взаимодействием, в виде бусинок, прикрепленных к противоположным сторонам резиновой ленты. Чем дальше друг от друга вы тянете две бусинки, тем сильнее натяжение резиновой ленты между ними. По словам Липки, усилие, которое вам потребовалось бы, чтобы разорвать эту резиновую ленту — например, чтобы отделить кварк от протона, — равно примерно 1,6 метрической тонне, весу небольшого автомобиля.

После определенного расстояния потенциал между двумя кварками становится настолько большим, что на самом деле требуется меньше энергии для извлечения нового кварка или антикварка из квантового фона, чем для поддержания связи между исходными кварками. Этот процесс “адронизации” буквально вытягивает кварки из воздуха, и это означает, что мы можем наблюдать кварки только парами или скоплениями.

Чтобы справиться с этим, ученые используют различные методы косвенного изучения сильного взаимодействия.

На БАК ученые изучают столкновения протонов. В своей недавней рекордной работе эксперимент ATLAS измерил альфа-силу, используя протон-протонные столкновения и образование частиц, называемых Z-бозонами.

Когда кварки в сталкивающихся протонах аннигилируют, они обычно производят Z-бозоны среди других частиц. Z-бозоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, но сильное взаимодействие дает им толчок, когда они избегают столкновений частиц. Эксперимент ATLAS измерил поперечный импульс Z-бозонов, чтобы извлечь альфа-сильный.

Липка и ее коллеги по эксперименту CMS на БАК изучают сильное взаимодействие, используя струи частиц, называемые джетами. Когда кварки выбрасываются из высокоэнергетических протон-протонных столкновений, они создают коллимированные “струи” частиц, состоящих из сильно связанных кварков.

“Эти струи сохраняют свойства исходного кварка или глюона, и их скорость пропорциональна величине сильного взаимодействия”, — говорит Липка.

Ее команда использует струи для точного измерения силы сильного взаимодействия.

По словам Липки, важно разработать несколько методов изучения сильной связи. “Если мы объединим результаты различных измерений, мы могли бы получить еще более высокую точность”, — говорит она. “Эксперименты ATLAS и CMS разработаны так, чтобы быть независимыми друг от друга, поэтому мы можем перепроверять результаты и в конечном итоге объединять их”.

Все точнее и точнее

Мы далеки от полного понимания сильного взаимодействия. Мы знаем силу электромагнитного взаимодействия примерно с точностью до одной миллиардной доли, но мы знаем силу сильного взаимодействия только примерно с вероятностью один к ста.

Камарда объясняет, почему важно работать над устранением этого разрыва: “Когда мы развиваем силу электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий до очень высокого энергетического уровня, как это было в очень ранней Вселенной, они становятся очень похожими”.

Это сходство намекает на возможное объединение этих трех сил во времени сразу после Большого взрыва. “Детали этой теории великого объединения очень сильно зависят от точных значений констант связи, и поэтому здесь мы ограничены точностью сильной связи”, — говорит Камарда.

Понимание альфа стронга также является ключом к исследованиям на БАК и предстоящему обновлению до БАК с высокой светимостью, говорит он. “Если мы хотим заниматься точной физикой, например, в секторе Хиггса, нам нужно улучшить определение альфа Стронга”.

Проведение точных исследований любого рода может помочь физикам проверить свои теории. Например, ученые, точно измерившие орбиту планеты Меркурий, обнаружили небольшое расхождение между предсказаниями и реальностью, “и это, как оказалось, полностью изменило наше понимание гравитации”, — говорите вы.

Точные исследования могли бы дать нам намеки на физику, которая может существовать за пределами Стандартной модели, за пределами того, что мы уже знаем о физике. “Возможно, что известные элементарные частицы, включая кварки, могут состоять из еще более элементарных объектов”, — говорит Липка. “Эти объекты могут подвергаться воздействию новых сил при гораздо более высоких энергиях, чем мы можем исследовать в текущих экспериментах”.

Чем точнее измерения, тем лучше ученые могут проверить свои прогнозы. Камарда, Липка и Вы продолжаете искать в своей работе намеки на взаимодействие, выходящее за рамки стандартной модели.

“Это всегда увлекательно давить на следующий рубеж,” Тебе говорит. “Иногда измерений на один разряд точности приводит к радикальной трансформации в нашем понимании Вселенной на фундаментальном уровне”.

Источник: https://www.symmetrymagazine.org/article/whats-so-hard-about-measuring-the-strong-force?language_content_entity=und