Положительно заряженная частица в сердце атома — это объект невыразимой сложности, который меняет свой внешний вид в зависимости от того, как его исследуют. Мы попытались соединить множество граней протона, чтобы сформировать наиболее полную картину на сегодняшний день. https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/?mc_cid=deb1762f40&mc_eid=66de5522fc
Более века спустя после того, как Эрнест Резерфорд открыл положительно заряженную частицу, лежащую в основе каждого атома, физики все еще пытаются полностью понять протон.
Учителя физики в старших классах описывают их как невыразительные шарики с одной единицей положительного электрического заряда в каждом — идеальная фольга для отрицательно заряженных электронов, которые жужжат вокруг них. Студенты колледжа узнают, что шар на самом деле представляет собой пучок из трех элементарных частиц, называемых кварками. Но десятилетия исследований выявили более глубокую истину, которая слишком причудлива, чтобы полностью передать ее словами или образами.
“Это самая сложная вещь, которую вы только можете себе представить”, — сказал Майк Уильямс, физик из Массачусетского технологического института. “На самом деле, ты даже представить себе не можешь, насколько это сложно”.
Протон — это квантовомеханический объект, который существует как туман вероятностей до тех пор, пока эксперимент не заставит его принять конкретную форму. И его формы сильно различаются в зависимости от того, как исследователи проводят свой эксперимент. Соединение многих граней частицы было делом многих поколений. “Мы вроде как только начинаем полностью понимать эту систему”, — сказал Ричард Милнер, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института.
По мере продолжения преследования секреты протона продолжают выплывать наружу. Совсем недавно монументальный анализ данных, опубликованный в августе, показал, что протон содержит следы частиц, называемых очаровательными кварками, которые тяжелее самого протона.
По словам Уильямса, протон “унизил людей”. “Каждый раз, когда ты думаешь, что вроде как справляешься с этим, это выбрасывает тебе несколько крутых моментов”.
Недавно Милнер вместе с Рольфом Энтом из Лаборатории Джефферсона, кинематографистами Массачусетского технологического института Крисом Бобелем и Джо Макмастером и аниматором Джеймсом Лапланте решили преобразовать набор загадочных сюжетов, в которых собраны результаты сотен экспериментов, в серию анимаций изменяющего форму протона. Мы включили их анимацию в нашу собственную попытку раскрыть ее секреты.
Раскалывание протона
Доказательство того, что протон содержит множество частиц, было получено из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) в 1967 году. В более ранних экспериментах исследователи вытаскивали его с помощью электронов и наблюдали, как они отскакивают рикошетом, как бильярдные шары. Но SLAC может повредить электроны более сильно, и исследователи говорят, что они отскакивают назад по-другому. Электроны ударялись о протон достаточно сильно, чтобы разбить его вдребезги — процесс, называемый глубоким неупругим рассеянием, — и отскакивали от точечных осколков протона, называемых кварками. “Это было первое доказательство того, что кварки действительно существуют”, — сказал Сяочао Чжэн, физик из Университета Вирджинии.
После открытия SLAC, за которое в 1990 году была присуждена Нобелевская премия по физике, изучение протона усилилось. На сегодняшний день физики провели сотни экспериментов по рассеянию. Они определяют различные аспекты внутренней части объекта, регулируя, с какой силой они его бомбардируют, и выбирая, какие рассеянные частицы они собирают после этого.
Используя электроны с более высокой энергией, физики могут выявить более тонкие особенности целевого протона. Таким образом, энергия электронов задает максимальную разрешающую способность эксперимента по глубокому неупругому рассеянию. Более мощные коллайдеры частиц дают более четкое представление о протоне.
Коллайдеры с более высокой энергией также дают более широкий спектр результатов столкновений, позволяя исследователям выбирать различные подмножества вылетающих электронов для анализа. Эта гибкость оказалась ключом к пониманию кварков, которые вращаются внутри протона с разной величиной импульса.
Измеряя энергию и траекторию каждого рассеянного электрона, исследователи могут определить, отскочил ли он от кварка, несущего большую часть общего импульса протона, или только малую часть. Посредством повторяющихся столкновений они могут провести что—то вроде переписи — определить, связан ли импульс протона в основном с несколькими кварками или распределен по многим.
Даже столкновения SLAC с расщеплением протонов были мягкими по сегодняшним стандартам. В этих событиях рассеяния электроны часто вылетали таким образом, что можно было предположить, что они врезались в кварки, несущие треть общего импульса протона. Это открытие соответствовало теории Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга, которые в 1964 году предположили, что протон состоит из трех кварков.
“Кварковая модель” Гелл-Манна и Цвейга остается элегантным способом представить протон. Он имеет два “верхних” кварка с электрическими зарядами +2/3 каждый и один “нижний” кварк с зарядом -1 / 3, при общем заряде протона +1.
ВИДЕО — Three quarks careen about in this data-driven animation: https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/Proton2_step3.mp4
Но кварковая модель — это чрезмерное упрощение, имеющее серьезные недостатки.
Он терпит неудачу, например, когда речь заходит о спине протона, квантовом свойстве, аналогичном угловому моменту. Протон имеет половину единицы спина, как и каждый из его верхних и нижних кварков. Физики первоначально предположили, что — в вычислении, повторяющем простую арифметику заряда — полублоки двух верхних кварков минус единица нижнего кварка должны равняться половине единицы для протона в целом. Но в 1988 году Европейское мюонное сотрудничество сообщило, что количество спинов кварков составляет гораздо меньше половины. Аналогично, массы двух верхних кварков и одного нижнего кварка составляют всего около 1% от общей массы протона. Этот дефицит привел к тому, что физики уже начали понимать: протон — это гораздо больше, чем три кварка.
Гораздо больше, чем Три Кварка
Адронно-электронный кольцевой ускоритель (HERA), работавший в Гамбурге, Германия, с 1992 по 2007 год, превращал электроны в протоны примерно в тысячу раз сильнее, чем SLAC. В экспериментах HERA физики могли выбирать электроны, которые отскочили от кварков с чрезвычайно низким импульсом, включая те, которые несут всего 0,005% от общего импульса протона. И они их обнаружили: электроны ГЕРЫ отскочили от водоворота кварков с низким импульсом и их аналогов из антивещества, антикварков.
ВИДЕО — Many quarks and antiquarks seethe in a roiling particle “sea.”: https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/proton2_step2-longer.mp4
Результаты подтвердили сложную и диковинную теорию, которая к тому времени заменила кварковую модель Гелл-Манна и Цвейга. Разработанная в 1970-х годах, она представляла собой квантовую теорию “сильного взаимодействия”, действующего между кварками. Теория описывает кварки как связанные вместе частицами, несущими силу, называемыми глюонами. Каждый кварк и каждый глюон имеют один из трех типов “цветного” заряда, обозначенных красным, зеленым и синим; эти заряженные цветом частицы естественным образом притягиваются друг к другу и образуют группу — например, протон, — цвета которой в сумме составляют нейтральный белый. Красочная теория стала известна как квантовая хромодинамика, или КХД.
Согласно КХД, глюоны могут улавливать мгновенные всплески энергии. Обладая этой энергией, глюон распадается на кварк и антикварк, каждый из которых обладает лишь крошечным импульсом, прежде чем пара аннигилирует и исчезает. Именно это “море” переходных глюонов, кварков и антикварков HERA, обладающая большей чувствительностью к частицам с меньшим импульсом, обнаружила воочию.
ГЕРА также уловила намеки на то, как будет выглядеть протон в более мощных коллайдерах. По мере того как физики настраивали HERA на поиск кварков с меньшим импульсом, эти кварки, происходящие от глюонов, появлялись во все большем количестве. Результаты показали, что при столкновениях с еще более высокой энергией протон будет выглядеть как облако, почти полностью состоящее из глюонов.
ВИДЕО — Gluons abound in a cloud-like form: https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/proton2_step1.mp4
Глюонный одуванчик — это именно то, что предсказывает КХД. ”Данные HERA являются прямым экспериментальным доказательством того, что КХД описывает природу», — сказал Милнер.
Но победа теории Янга принесла горькую пилюлю: в то время как КХД прекрасно описала танец короткоживущих кварков и глюонов, обнаруженный в результате экстремальных столкновений ГЕРЫ, теория бесполезна для понимания трех долгоживущих кварков, наблюдаемых при мягкой бомбардировке SLAC.
Предсказания КХД легко понять только тогда, когда сильная сила относительно слаба. И сильное взаимодействие ослабевает только тогда, когда кварки находятся очень близко друг к другу, поскольку они находятся в короткоживущих парах кварк-антикварк. Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер определили эту определяющую особенность КХД в 1973 году, получив за нее Нобелевскую премию 31 год спустя.
Но для более мягких столкновений, таких как SLAC, где протон действует как три кварка, которые взаимно сохраняют дистанцию, эти кварки притягиваются друг к другу достаточно сильно, что вычисления КХД становятся невозможными. Таким образом, задача дальнейшей демистификации трехкваркового представления о протоне в значительной степени легла на плечи экспериментаторов. (Исследователи, проводящие “цифровые эксперименты”, в которых предсказания КХД моделируются на суперкомпьютерах, также внесли ключевой вклад.) И именно на этом снимке с низким разрешением физики продолжают находить сюрпризы.
Очаровательный Новый вид
Недавно команда под руководством Хуана Рохо из Национального института субатомной физики в Нидерландах и Амстердамского университета проанализировала более 5000 снимков протонов, сделанных за последние 50 лет, используя машинное обучение для определения движения кварков и глюонов внутри протона таким образом, чтобы обойти теоретические догадки.
Новое исследование выявило размытие фона на изображениях, которое ускользнуло от внимания предыдущих исследователей. При относительно мягких столкновениях, едва разрывающих протон, большая часть импульса была заключена в обычных трех кварках: два взлета и один спад. Но небольшое количество импульса, по—видимому, исходило от “очаровательного” кварка и очаровательного антикварка — колоссальных элементарных частиц, каждая из которых весит весь протон более чем на треть.
Короткоживущие частицы часто проявляются в виде протона “кваркового моря” (глюоны могут расщепляться на любой из шести различных типов кварков, если у них достаточно энергии). Но результаты, полученные Рохо и его коллегами, предполагают, что чары имеют более постоянное присутствие, что делает их заметными при более мягких столкновениях. В этих столкновениях протон появляется как квантовая смесь или суперпозиция множества состояний: электрон обычно сталкивается с тремя легкими кварками. Но иногда он будет сталкиваться с более редкой “молекулой” из пяти кварков, такой как верхний, нижний и очаровательный кварки, сгруппированные с одной стороны, и верхний кварк и очаровательный антикварк с другой.
Такие тонкие детали о составе протона могут оказаться важными. На Большом адронном коллайдере физики ищут новые элементарные частицы, сталкивая высокоскоростные протоны друг с другом и наблюдая, что получается; чтобы понять результаты, исследователям для начала нужно знать, что содержится в протоне. Случайное появление гигантских очаровательных кварков уменьшило бы шансы на создание более экзотических частиц.
И когда протоны, называемые космическими лучами, устремляются сюда из космоса и сталкиваются с протонами в атмосфере Земли, очаровательные кварки, появляющиеся в нужные моменты, осыпают Землю сверхэнергичными нейтрино, подсчитали исследователи в 2021 году. Это может сбить с толку наблюдателей, ищущих высокоэнергетические нейтрино, приходящие со всего космоса.
Коллаборация Рохо планирует продолжить изучение протона путем поиска дисбаланса между очаровательными кварками и антикварками. А более тяжелые составляющие, такие как верхний кварк, могут создавать еще более редкие и трудноуловимые явления.
Эксперименты следующего поколения будут направлены на поиск еще более неизвестных функций. Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории надеются запустить электронно-ионный коллайдер в 2030-х годах и продолжить с того места, где остановилась ГЕРА, сделав снимки с более высоким разрешением, которые позволят получить первые 3D-реконструкции протона. EIC также будет использовать вращающиеся электроны для создания подробных карт спинов внутренних кварков и глюонов, точно так же, как SLAC и HERA нанесли на карту их импульсы. Это должно помочь исследователям окончательно определить происхождение спина протона и ответить на другие фундаментальные вопросы о загадочной частице, которая составляет большую часть нашего повседневного мира.
Исправление: 20 октября 2022 года
В предыдущей версии статьи ошибочно подразумевалось, что кварки с более низким импульсом живут короче, чем кварки с более высоким импульсом в море кварков. Текст был обновлен, чтобы уточнить, что все эти кварки имеют меньший импульс и более короткоживущие, чем те, что изображены на картинке с тремя кварками.