Очаровательный эксперимент обнаружил глюонную массу в протоне

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 3 апреля 2023 г., 16:06:05 MSK
  • 0 комментариев
  • 44 просмотра
Физики-ядерщики, возможно, наконец-то точно определили, где в протоне находится большая часть его массы. Недавний эксперимент выявил радиус массы протона, который генерируется сильным взаимодействием, когда оно склеивает кварки, составляющие строительный блок протона.

Физики-ядерщики, возможно, наконец-то точно определили, где в протоне находится большая часть его массы. Недавний эксперимент, проведенный на Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, выявил радиус массы протона, который генерируется сильным взаимодействием, когда оно склеивает кварки - строительные блоки протона. Результат был недавно опубликован в Природа.

Одной из самых больших загадок протона является происхождение его массы. Оказывается, измеренная масса протона определяется не только его физическими строительными блоками, тремя так называемыми валентными кварками.

"Если вы сложите стандартные модельные массы кварков в протоне, вы получите лишь малую долю массы протона", - объяснил соавтор эксперимента Сильвестр Джустен, физик-экспериментатор из Аргоннской национальной лаборатории DOE.

За последние несколько десятилетий физики-ядерщики предварительно пришли к выводу, что масса протона определяется несколькими источниками. Во-первых, он получает некоторую массу за счет масс своих кварков и еще немного за счет их движения. Затем он получает массу за счет энергии сильного взаимодействия, которое склеивает эти кварки вместе, причем эта сила проявляется в виде "глюонов". Наконец, он получает массу за счет динамических взаимодействий кварков и глюонов протона.

Это новое измерение, возможно, наконец-то пролило некоторый свет на массу, генерируемую глюонами протона, путем точного определения местоположения вещества, генерируемого этими глюонами. Было обнаружено, что радиус этого ядра материи находится в центре протона. Результат также, по-видимому, указывает на то, что размер этого ядра отличается от точно измеренного радиуса заряда протона, величины, которая часто используется в качестве показателя размера протона.

"Радиус этой структуры массы меньше радиуса заряда, и поэтому это отчасти дает нам представление об иерархии структуры массы и заряда нуклона", - сказал соавтор эксперимента Марк Джонс, руководитель отдела A&C в лаборатории Джефферсона.

По словам соавтора эксперимента Зейн-Эддин Мезиани, штатного научного сотрудника Аргоннской национальной лаборатории DOE, этот результат на самом деле стал некоторой неожиданностью.

"То, что мы нашли, - это то, чего мы действительно не ожидали увидеть таким образом. Первоначальной целью этого эксперимента был поиск пентакварка, о котором сообщили исследователи из ЦЕРНА", - сказал Мезиани.

Эксперимент проводился в экспериментальном зале C в ускорителе непрерывного электронного пучка Лаборатории Джефферсона, пользовательском центре Управления науки Министерства обороны США. В ходе эксперимента электроны с энергией 10,6 ГэВ (миллиард электрон-вольт) из ускорителя CEBAF были отправлены в небольшой блок меди. Блок замедлял или отклонял электроны, заставляя их испускать тормозное излучение в виде фотонов. Затем этот пучок фотонов ударил по протонам внутри мишени из жидкого водорода. Детекторы измеряли остатки этих взаимодействий в виде электронов и позитронов.

Экспериментаторов интересовали те взаимодействия, которые приводили к образованию J/частиц среди протонных ядер водорода. J/ - это короткоживущий мезон, состоящий из кварков очарования/анти-очарования. Однажды образовавшись, он быстро распадается на пару электрон/позитрон.

Из миллиардов взаимодействий экспериментаторы обнаружили около 2000 Дж/частиц в своих измерениях поперечного сечения этих взаимодействий, подтвердив совпадение пар электрон/позитрон.

"Это похоже на то, что мы делали все это время. Выполняя упругое рассеяние электрона на протоне, мы получаем распределение заряда протона", - сказал Джонс. "В этом случае мы сделали эксклюзивную фотосъемку J / от протона, и мы получаем распределение глюонов вместо распределения заряда".

Затем сотрудники смогли включить эти измерения поперечного сечения в теоретические модели, которые описывают глюонные гравитационные форм-факторы протона. Глюонные форм-факторы детализируют механические характеристики протона, такие как его масса и давление.

"Были две величины, известные как гравитационные форм-факторы, которые мы смогли выявить, потому что у нас был доступ к этим двум моделям: обобщенной модели распределения партонов и модели голографической квантовой хромодинамики (КХД). И мы сравнили результаты каждой из этих моделей с расчетами решетчатой КХД", - добавил Мезиани.

Исходя из двух различных комбинаций этих величин, экспериментаторы определили вышеупомянутый радиус глюонной массы, в котором преобладают гравитоноподобные глюоны, а также больший радиус притягивающих скалярных глюонов, которые простираются за пределы движущихся кварков и ограничивают их.

"Одним из наиболее загадочных выводов нашего эксперимента является то, что в одном из подходов к теоретической модели наши данные намекают на скалярное распределение глюонов, которое выходит далеко за пределы электромагнитного радиуса протона", - сказал Йостен. "Чтобы полностью понять эти новые наблюдения и их влияние на наше понимание конфайнмента, нам понадобится новое поколение высокоточных J / экспериментов".

Одной из возможностей для дальнейшего изучения этого заманчивого нового результата является экспериментальная программа SoLID с соленоидальным устройством большой интенсивности. Программа SoLID все еще находится на стадии предложения. В случае одобрения дальнейших экспериментов, проводимых с аппаратом SoLID, они позволят по-новому взглянуть на J/ физику.

"Следующий важный шаг - это измерение J/ production с помощью твердотельного детектора. Он действительно сможет проводить высокоточные измерения в этом регионе. Одним из основных столпов этой программы является J / production, наряду с измерениями поперечного распределения импульса и измерениями глубокого неупругого рассеяния, нарушающего четность", - сказал Джонс.

Джонс, Джустен и Мезиани представляют экспериментальную группу, в которую входят более 50 физиков-ядерщиков из 10 институтов. Спикеры также хотят выделить Бурку Дюрана, ведущего автора и постдокторского научного сотрудника Университета Теннесси в Ноксвилле. Дюран описала этот эксперимент в своей докторской диссертации, будучи аспиранткой Университета Темпл, и она была движущей силой анализа полученных данных.

Совместная работа проводила эксперимент в течение примерно 30 дней в феврале-марте 2019 года. Они согласны с тем, что этот новый результат интригует, и говорят, что все они с нетерпением ждут будущих результатов, которые прольют дополнительный свет на проблески новой физики, которые он подразумевает.

"Суть для меня в том, что прямо сейчас царит ажиотаж. Можем ли мы найти способ подтвердить то, что мы видим? Эта новая информация о картинке сохранится?" - сказал Мезиани. "Но для меня это действительно очень волнующе. Потому что, если я сейчас подумаю о протоне, то сейчас у нас о нем больше информации, чем когда-либо прежде".

Комментарии

0 комментариев