В середине XX века ученые начали понимать, что элементарные частицы — протон и нейтрон — не такие уж простые. Они не только состоят из более миниатюрных «кирпичиков», но внутри них еще происходят постоянные сложные взаимодействия фундаментальных частиц. Так, по результатам исследований структуры протона в 1960-х выяснилось, что он состоит из трех компонентов, которые позднее назвали кварками.
Первоначальная модель подразумевала, что в протоне — три кварка: два верхних и один нижний. Эпитеты относительной высоты используются физиками метафорически, они лишь помогают сделать термины проще и чуть понятнее. Эта упрощенная модель (ее так теперь и называют — «наивной») с тремя кварками в протоне помогла объяснить многие эффекты, наблюдаемые во время экспериментов. Но не все.
Позднее удалось установить, что наличием всего трех кварков структуру протона не описать. Если кратко, серия экспериментов по глубоко неупругим столкновениям этих частиц показала, что все несколько сложнее. В протоне есть три «основных» кварка (два верхних и один нижний), а также множество пар кварк-антикварк, которые постоянно возникают и аннигилируют. То есть фактически положительный нуклон представляет собой «суп» из непрестанно взаимодействующих фундаментальных частиц.
В этом крайне упрощенном объяснении (да простят нас образованные физики) намеренно опускается вопрос массы протона, которая обеспечивается глюонными полями вокруг кварков. Отметим лишь, что изрядную часть «супа» составляют именно калибровочные бозоны сильного взаимодействия.
Но в таком случае возникала проблема: а почему в каждый отдельный момент времени у трех кварков внутри протона нет пары в виде антикварка? Это противоречит многим теоретическим выкладкам и выглядит крайне неестественно с точки зрения физики. Собственно говоря, вышеописанный вопрос и есть суть фундаментальной асимметрии протона.
И даже без его разрешения все равно необходимо было уточнять структуру положительного нуклона, чем и занималась в конце 1990-х коллаборация NuSea (E866) на базе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab) в США. Физики сталкивали разогнанные до высоких энергий протоны и фиксировали следы таких событий. Тогда удалось подтвердить асимметрию распределения кварков в протонах для сравнительно узкого диапазона уносимых кварками импульсов «материнской» частицы. И на основе этих данных был сделан далекоидущий и пусть довольно правдоподобный, но все же не подтвержденный практически прогноз: в других диапазонах уносимого кварками импульса протона асимметрия будет исчезать.
Смелое заявление изрядно встряхнуло научное сообщество, но выглядело вполне резонно. Так что ряд ранее прорабатываемых моделей пришлось забросить и заняться созданием новых. К счастью, суть научного метода познания заключается в постоянной проверке результатов. Поэтому совсем недавно завершился новый эксперимент на мощностях все той же Fermilab. И он серьезно подкорректировал данные коллег, полученные более 20 лет назад.
Схема процесса Дрелла — Яна. Кварк и антикварк (красные) аннигилируют, порождая фотон (синяя волна), который затем превращается в пару противоположно заряженных мюонов / ©Wikimedia
Результатам этого опыта посвящена публикация в рецензируемом журнале Nature, которую подготовила крупная международная команда физиков. В ней принимали участие специалисты из ведущих американских, тайваньских, израильских и японских технологических научно-исследовательских институтов, а также крупнейших физических лабораторий США и Японии. Основной массив данных собирали на ускорителе в Fermilab в рамках эксперимента E-906/SeaQuest.
При столкновении двух протонов достаточно высоких энергий входящие в них кварки взаимодействуют друг с другом. А точнее, кварк одного протона аннигилирует с антикварком другого или наоборот. Проще говоря, «супы» перемешиваются. Продуктом такой аннигиляции будут виртуальный (то есть его невозможно детектировать напрямую) фотон или Z-бозон, которые почти сразу распадутся на пару противоположно заряженных мюонов. Именно улавливая эти частицы детекторами, ученые судят о характеристиках взаимодействующих кварков.
Для проведения эксперимента использовали пучок протонов с энергией 120 гигаэлектронвольт (не рекорд, но много), направленный на мишень из жидких водорода и дейтерия (они состоят преимущественно из протонов). Чтобы зафиксировать только мюоны и отфильтровать любые другие продукты столкновения частиц, между мишенью и детекторами разместили пятиметровую стену из железа. Результаты оказались впечатляющими: описанная несколько выше асимметрия сохранялась для кварков, уносящих на 10% больше импульса всей субатомной частицы.
Фотография зала с мишенью, куда приходит пучок протонов / ©Fermi National Accelerator Laboratory
Конечно, это не громкая революция в физике, но серьезное экспериментальное подтверждение ряда теорий и заявка на корректировку других. Так или иначе, ученые еще дальше расширили понимание структуры протона. А это в дальнейшем принесет свои плоды в самых разных областях науки и техники: от космологии с астрономией и физики до химии, медицины и материаловедения.
