Физики из MIT впервые вычислили давление в центре элементарной частицы

22 февраля, 16:47

Модель изолированного атома © Fotolia / 3dmentat-->

     МОСКВА, 22 фев – РИА Новости. Ученые из США выяснили, что протоны похожи по своей структуре на слоеный пирог – они обладают сверхплотным "ядром", относительно пустой серединой и сверхплотными окраинами. Результаты их расчетов были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

"Мы только начинаем понимать то, какие роли играют кварки и глюоны внутри протонов. Объединив экспериментальные данные с нашими расчетами, мы получили первую полноценную картину того, как распределено давление внутри протона. Это предсказание можно будет проверить на коллайдерах в ближайшие десять лет", — заявила Фиала Шэнахэн (Phiala Shanahan) из Массачусетского технологического института (США).

     По современным представлениям, все элементарные частицы состоят из небольших объектов, которые физики называют кварками и глюонами. Протоны, нейтроны и прочие "тяжелые" частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Их меньшие собратья, так называемые мезоны, содержат в себе два элемента – "обычный" кварк и антикварк, базовую составляющую антиматерии.

      Кварки связаны между собой мощнейшими силами природы, так называемыми сильными ядерными взаимодействиями. Поэтому в чистом виде они не существуют, и для их "освобождения" необходимы гигантские температуры и энергии, которые существовали только в момент Большого взрыва. По этой причине структуру частиц материи и свойства кварков и глюонов ученые изучают, создавая подобные условия на БАК и других мощных коллайдерах.

     Этот феномен, который физики называют "конфайнментом" кварков, сегодня остается главным препятствием для изучения структуры элементарных частиц и поисков ответов на множество "главных вопросов" физики – к примеру, как родилась Вселенная и почему в ней нет антиматерии. Более того, остается непонятным и то, как работают сами сильные ядерные взаимодействия.

     Долгое время ученые считали, что внутрь частиц нельзя заглянуть, не разрушая их, так как скрепляющие их силы в сотни и миллионы раз сильнее, чем гравитация или электромагнетизм. В мае прошлого года физики из США выяснили, что это можно сделать непрямым способом, наблюдая за тем, как электроны "отскакивают" от кварков внутри свободных протонов и нейтронов.

      Шэнахэн и ее коллега Уильям Детмолд (William Detmold) воспользовались этими замерами для того, чтобы просчитать поведение и кварков, и глюонов внутри протона, используя принципы квантовой хромодинамики и ресурсы суперкомпьютера MIT.

     В общей сложности, физики потратили больше 18 месяцев машинного времени для того, чтобы полностью промоделировать свойства протона и понять, как он устроен изнутри. Эти расчеты подтвердили, что в центре частицы царит давление, превышающее аналогичный параметр для нейтронных звезд в 10 раз, но при этом внесли несколько важных уточнений в результаты майских замеров.

     В частности, зона пустоты между сверхплотным ядром и окраинами протона оказалась заметно шире, чем предполагали эксперименталисты и другие физики-теоретики, а давление в центре него росло с необычно высокой скоростью. Эти различия, как отмечает Шэнахэн, связаны с тем, что глюоны и кварки по-разному влияют на внутреннюю структуру элементарных частиц.

     Проверить эти идеи, по ее словам, можно будет на коллайдере EIC, который будет построен в США на базе одного из двух ускорителей – RHIC или CEBAF – после 2020 года. Обновленные версии этих установок смогут разгонять электроны до таких энергий, что они будут взаимодействовать и с глюонами, что позволит физикам точно измерить давление в центре протона и проверить выкладки Детмолда и Шэнахэн.