Что находится внутри протона
Что скрывают протоны?
Двадцать лет назад физики начали исследовать загадочную асимметрию внутреннего строения протона. Результаты их работы, опубликованные в конце февраля 2021 года, объясняют, как антивещество помогает стабилизировать ядро каждого атома.
Очень редко упоминается тот факт, что протоны — позитивно заряженные частицы в центре атома — являются отчасти антивеществом.
На самом деле, внутри протона вращается вихрь из меняющегося количества шести типов кварков, их противоположно заряженных аналогов из антивещества (антикварков) и глюонов, элементарных безмассовых частиц, которые связывают вместе другие частицы, трансформируются в них и быстро множатся. Каким-то образом этот бурлящий вихрь оказывается совершенно стабильным и на первый взгляд простым, имитируя по определенным аспектам трио кварков. «То, как это все функционирует, честно говоря, похоже на чудо», — отметил Дональд Гисаман, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали, что различные типы антивещества в нем будут распределены равномерно, но было похоже, что количество нижних антикварков значительно превышало количество верхних антикварков. Затем десять лет спустя другая группа исследователей заметила намеки на неподдающиеся объяснению вариации в соотношении верхних и нижних антикварков. Но эти результаты были на грани чувствительности эксперимента.
Итак, 20 лет назад Дональд Гисаман и его коллега Пол Раймер начали работать над новым экспериментом, чтобы получше разобраться в этом вопросе. Эксперимент, получивший название SeaQuest («Морской квест»), наконец завершился, и исследователи опубликовали его результаты в журнале Nature. Они измерили внутреннее антивещество протона тщательнее, чем когда бы то ни было, и обнаружили, что на каждый верхний антикварк в среднем приходится 1,4 нижних антикварка.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Эти данные непосредственно говорят в пользу двух теоретических моделей протонного моря. «Появилось первое реальное доказательство, подтверждающее эти модели», — сказал Раймер.
Одна из них — модель «пионного облака» — это популярный подход, существующий уже несколько десятилетий, который делает упор на тенденцию протона испускать и реабсорбировать частицы под названием пионы, которые принадлежат к группе частиц, известных как мезоны. Вторая, так называемая статистическая модель, рассматривает протон как контейнер, наполненный газом.
Дальнейшие запланированные эксперименты помогут исследователям выбрать одну из этих двух моделей. Но какая бы из них ни была верной, массив данных эксперимента SeaQuest о внутреннем антивеществе протона принесет непосредственную пользу, особенно физикам, которые сталкивают протоны на околосветовых скоростях на Большом адронном коллайдере. Обладая точной информацией о составе сталкиваемых объектов, они смогут более эффективно разбирать продукты, оставшиеся после столкновения, в поисках доказательств существования новых частиц или эффектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, который оказывает помощь в анализе данных БАК, считает, что результаты эксперимента SeaQuest могут иметь большое влияние на поиски новой физики, которые в настоящее время «ограничены нашими знаниями о структуре протона, в частности о его антивеществе».
Третий не лишний
В течение короткого периода времени около полувека назад физики полагали, что разобрались с протоном.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, получившую впоследствии название кварковая: идея заключалась в том, что протоны, нейтроны и связанные с ними более редкие частицы представляют собой пучки из трех кварков (как их назвал Гелл-Манн), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема объясняла какофонию частиц, разлетающихся из ускорителей частиц высокой энергии, поскольку спектр их зарядов мог быть построен из двух- и трехчастных комбинаций. Затем, примерно в 1970 году, исследователи, работающие на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), казалось, подтвердили кварковую модель: выстрелив высокоскоростными электронами в протоны, они увидели, как электроны отрикошетили от объектов внутри.
Но вскоре картина стала менее ясной. «По мере того, как мы все тщательнее пытались измерить свойства этих трех кварков, мы обнаружили, что происходит что-то еще», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), работающий над кварковыми экспериментами с 1970-х годов.
Изучение импульса трех кварков показало, что их массы составляют малую часть общей массы протона. Кроме того, когда исследователи на SLAC стреляли электронами на большей скорости в протоны, они увидели, что электроны отталкивают больше частиц внутри. Чем быстрее электроны, тем короче их длина волны, что сделало их чувствительными к более мелким элементам протона; это похоже на увеличение разрешения микроскопа. Открывались все новые и новые внутренние частицы, которым, казалось, нет конца. «Мы не знаем, где предел и какое самое высокое разрешение возможно получить», — сказал Гисаман.
Результаты стали иметь больше смысла, когда физики разработали истинную теорию, к которой кварковая модель лишь приближается: квантовая хромодинамика или КХД. КХД, сформулированная в 1973 году, описывает «сильное взаимодействие», самую большую силу в природе, с помощью которой частицы под названием глюоны связывают пучки кварков.
КХД предсказывает тот самый вихрь, который был выявлен в экспериментах по рассеянию. Сложности возникают из-за того, что глюоны ощущают ту самую силу, которую они несут. Этим они отличаются от фотонов, несущих более простую электромагнитную силу. Это «самоуправство» создает беспорядок внутри протона, давая глюонам полную свободу действий для возникновения, размножения и расщепления на кратковременные пары кварков и антикварков. Уравновешивая друг друга, эти близко расположенные противоположно заряженные кварки и антикварки издалека остаются незамеченными. Только три несбалансированных «валентных» кварка — два верхних и нижний — составляют общий заряд протона. Но физики поняли, что стреляя электронами на большей скорости, они поражали меньшие цели.
Однако странности на этом не закончились.
Из-за самоуправства глюонов уравнения КХД невозможно решить, поэтому у физиков не получалось и до сих пор не получается рассчитать точные прогнозы теории. Но у них не было оснований предполагать, что глюоны будут расщепляться на один тип пары кварк-антикварк (а именно нижний) чаще, чем на другой. «Мы ожидали, что будет появляться равное количество тех и других пар», — сказала Мэри Альберг, теоретик-ядерщик из Сиэтлского университета, объясняя свои доводы того времени.
Мэри Альберг, физик-ядерщик из Сиэтлского университета, и ее соавторы давно утверждают, что пион играет важную роль в формировании сущности протона.
Фото предоставлено Сиэтлским университетом
Вот почему исследователей из New Muon Collaboration в Женеве так шокировали результаты эксперимента по рассеянию мюонов. В 1991г. они столкнули мюоны (более тяжелые родственники электронов) с протонами и дейтронами, состоящими из одного протона и одного нейтрона, сравнили результаты и пришли к выводу, что в протонном море больше нижних антикварков, чем верхних.
Части протона
Вскоре теоретики предложили несколько возможных вариантов объяснения асимметрии протона.
Один из них связан с пионом. С 1940-х годов физики наблюдали, как протоны и нейтроны обмениваются пионами внутри атомных ядер, как игроки в команде, бросающие друг другу баскетбольные мячи, что помогает им держаться вместе. Размышляя над структурой протона, исследователи пришли к выводу, что он также может подбрасывать баскетбольный мяч себе, то есть может ненадолго испускать положительно заряженный пион, превращаясь на это время в нейтрон, и затем реабсорбировать его. «Если во время эксперимента вы думаете, что смотрите на протон, это не так, потому что на какое-то время этот протон будет переходить в состояние пары нейтрон-пион», — сказала Альберг.
Если говорить точнее, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку этот призрачный пион имеет нижний антикварк (пион с верхним антикварком не может так легко материализоваться), такие теоретики, как Альберг, Джеральд Миллер и Тони Томас, утверждали, что модель пионного облака объясняет большее количество нижних антикварков протона, выявленное в результате измерений.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Появились и другие аргументы. Клод Буррели и его коллеги из Франции разработали статистическую модель, которая рассматривает внутренние частицы протона как молекулы газа в комнате, хаотично двигающиеся на разных скоростях, которые зависят от того, целым или полуцелым количеством момента импульса обладает частица. При настройке с учетом данных многочисленных экспериментов по рассеянию модель предположила преобладание антикварков.
Прогнозы двух вышеупомянутых моделей не были идентичными. Большую часть общей массы протона составляют энергии отдельных частиц, которые прорываются в протонное море и из него, и эти частицы несут различные энергии. Модели по-разному спрогнозировали, как должно измениться соотношение верхних и нижних антикварков по мере подсчета антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют связанную с этим величину под названием доля импульса антикварка.
Когда исследователи в Фермилабе в 1999 году в рамках эксперимента NuSea измерили соотношение верхних и нижних антикварков в качестве функции импульса антикварка, результат их работы просто воодушевил всех, вспоминает Альберг. Эти данные свидетельствуют о том, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что они находились на грани диапазона обнаружения прибора) внезапно оказалось больше верхних антикварков, чем нижних. «Каждый теоретик говорил: ‘Погодите-ка’, — сказала Альберг, — Почему кривая развернулась, когда эти антикварки получили большую долю импульса?»
Пока теоретики ломали голову над этим вопросом, Гисаман и Раймер, которые работали над экспериментом NuSea и знали, что данным на грани иногда не стоит доверять, решили построить эксперимент, где можно было бы в комфортных условиях исследовать более широкий диапазон импульсов антикварка. Они назвали его SeaQuest.
Из того, что было
С кучей вопросов о протоне, но без денег, они начали собирать эксперимент из использованных деталей. «Нашим девизом было: снижай количество отходов, используй повторно, перерабатывай», — сказал Раймер.
Они приобрели несколько старых сцинтилляторов в лаборатории в Гамбурге, оставшиеся детекторы частиц в Лос-Аламосской национальной лаборатории и железные пластины, блокирующие радиацию, которые изначально были использованы в циклотроне Колумбийского университета в 1950-х годах. У них получилось применить магнит размером с комнату, использованный в эксперименте NuSea, и провести свой новый эксперимент на ускорителе протонов в Фермилабе. Получившийся из этих деталей «Франкенштейн» тем не менее был не лишен своего очарования. По словам Брауна, который помог найти все части, звуковой индикатор, сигнализирующий, что протоны поступают в устройство, был сделан 50 лет назад: «Когда он издает звуковой сигнал, становится тепло на душе».
Физик-ядерщик Пол Раймер (сверху) с устройством для эксперимента SeaQuest
Эксперимент в Фермилабе, собранный в основном из использованных деталей
И наконец они его запустили. В эксперименте протоны поражают две цели: пузырек с водородом, который по сути представляет собой протоны, и пузырек с дейтерием, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона.
При попадании в любую из двух целей, один из валентных кварков протона иногда аннигилирует с одним из антикварков протона или нейтрона мишени. «Аннигиляция имеет уникальную сигнатуру и производит мюон и антимюон», — сказал Раймер. Эти частицы вместе с другим «мусором», образовавшимся в результате столкновения, затем врезаются в старые железные пластины. «Мюоны могут проходить сквозь них, а все остальные частицы блокируются», — сказал он. Обнаружив мюоны на обратной стороне пластин и восстановив их исходные траектории и скорости, «вы можете восстановить хронологию событий, чтобы выяснить, какую долю импульса несут антикварки».
Поскольку протоны и нейтроны зеркально отражают друг друга, там, где у одного расположены частицы верхнего типа, у другого — нижнего типа, и наоборот. Сравнив данные из двух пузырьков, можно сразу увидеть соотношение верхних антикварков и нижних антикварков в протоне, но этому, конечно, предшествовало 20 лет работы.
В 2019 году Альберг и Миллер на основе модели пионного облака рассчитали, к каким результатам должен прийти эксперимент SeaQuest. Их прогноз вполне совпадает с новыми данными SeaQuest.
Новые данные, которые показывают постепенное повышение, а затем выход на плато в соотношении между нижними и верхними антикварками, а не внезапную реверсию, также совпадают с результатами более гибкой статистической модели, разработанной Буррели и его коллегами. И все же Миллер называет эту конкурирующую модель «описательной, а не прогнозирующей», поскольку она настроена, чтобы соответствовать данным, а не выявлять физический механизм, объясняющий преобладание антикварков. «А в наших расчетах я горжусь как раз тем, что они представляют собой истинный прогноз», — сказала Альберг. «Мы не настраивали никакие параметры заранее».
В электронном письме Буррели утверждал, что «статистическая модель более мощная, чем модель Альберга и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты по рассеянию как с поляризованными, так и не поляризованными частицами. Миллер категорически не согласился, отметив, что модель пионных облаков объясняет не только состав антивещества протона, но и магнитные моменты различных частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связывание и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что пионный механизм «важен в широком смысле для таких вопросов, как: «Почему существуют ядра? Почему существуем мы?».
В конечном стремлении понять протон решающим фактором может быть спин или собственный момент импульса. Эксперимент по рассеянию мюонов в конце 1980-х показал, что спины трех валентных кварков протона составляют не более 30% от общего спина протона. «Кризис протонного спина» можно выразить следующим вопросом: «что же составляет остальные 70%?» И как снова сказал опытный исследователь Чак Браун, старожил Фермилаб, «должно быть, что-то еще».
Экспериментаторы будут исследовать спин протонного моря в Фермилабе и, затем, в проектируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над расчетами полного «мезонного облака», окружающего протоны, которое, помимо пионов, включает более редкие «ро-мезоны» (rho mesons). В отличие от пионов, ро-мезоны обладают спином, поэтому они каким-то образом должны влиять на общий спин протона, что Альберг и Миллер и надеются определить.
По словам Брауна, эксперимент Фермилаб SpinQuest, в котором участвуют многие исследователи из SeaQuest и используются детали этого эксперимента, почти готов к работе. «Если повезет, мы получим данные этой весной; это будет зависеть, по крайней мере, частично, от прогресса в разработке вакцины против вируса. Забавно, что решение столь глубокого и непонятного вопроса о внутреннем строении ядра, зависит от ситуации с вирусом COVID в стране. Все в мире взаимосвязано, не так ли?».
Что такое протон, и что у него внутри?
Рис. 1: атом водорода. Не в масштабе.
Вы знаете, что Большой адронный коллайдер в основном занимается тем, что сталкивает друг с другом протоны. Но что такое протон?
В первую очередь – ужасная и полная неразбериха. Настолько же уродливая и хаотичная, насколько прост и элегантен атом водорода.
Но что тогда такое атом водорода?
Это простейший пример того, что физики называют «связанным состоянием». «Состояние», по сути, означает некую штуку, существующую довольно долгое время, а «связанное» означает, что её компоненты связаны друг с другом, будто супруги в браке. На самом деле, пример супружеской пары, в которой один супруг гораздо тяжелее другого, сюда очень хорошо подходит. Протон сидит в центре, едва двигаясь, а по краям объекта движется электрон, движется быстрее, чем вы и я, но гораздо медленнее скорости света, всеобщего скоростного ограничения. Мирный образ брачной идиллии.
Или он кажется таким, пока мы не заглянем в сам протон. Внутренности самого протона больше напоминают коммуну, где плотно расположено множество холостых взрослых и детей: чистый хаос. Это тоже связанное состояние, но связывает оно не нечто простое, вроде протона с электроном, как в водороде, или хотя бы несколько десятков электронов с атомным ядром, как в более сложных атомах типа золота – но несметное количество (то есть, их слишком много и они слишком быстро меняются, чтобы их можно было подсчитать практически) легковесных частиц под названием кварки, антикварки и глюоны. Невозможно просто описать структуру протона, нарисовать простые картинки – он чрезвычайно дезорганизован. Все кварки, глюоны, антикварки, мечутся внутри с максимально возможной скоростью, почти со скоростью света.
Рис. 2: Изображение протона. Представьте, что все кварки (верхний, нижний, странный — u,d,s), антикварки (u,d,s с чёрточкой), и глюоны (g) снуют туда-сюда почти со скоростью света, сталкиваются друг с другом, появляются и исчезают
Вы могли слышать, что протон состоит из трёх кварков. Но это ложь – во благо, но всё же довольно большая. На самом деле в протоне существует несметное количество глюонов, антикварков и кварков. Стандартное сокращение «протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка» просто говорит о том, что в протоне на два верхних кварка больше, чем верхних антикварков, и на один нижний кварк больше, чем нижних антикварков. Чтобы это сокращение стало верным, необходимо добавлять к нему «и ещё несметные количества глюонов и пар кварк-антикварк». Без этой фразы представление о протоне будет настолько упрощённым, что понять работу БАК будет совершенно невозможно.
Рис. 3: Маленькая ложь во благо на стереотипном изображении из Википедии
В общем, атомы по сравнению с протонами похожи на па-де-де в изысканном балете по сравнению с дискотекой, заполненной пьяными подростками, прыгающими и машущими диджею.
Именно поэтому, если вы – теоретик, пытающийся понять, что увидит БАК в столкновениях протонов, вам будет сложно. Очень сложно предсказывать результаты столкновений объектов, которые нельзя описать простым способом. Но, к счастью, с 1970-х годов, на основе идей Бьёркена из 60-х, физики-теоретики нашли относительно простую и рабочую технологию. Но она всё же работает до определённых пределов, с точностью порядка 10%. По этой и некоторым другим причинам надёжность наших подсчётов на БАК всегда ограничена.
Ещё одна деталь по поводу протона – он крохотный. Реально крохотный. Если раздуть атом водорода до размеров вашей спальни, протон будет размером с такую маленькую крупицу пыли, что её будет очень трудно заметить. Именно потому, что протон настолько мал, мы можем игнорировать творящийся внутри него хаос, описывая атом водорода как простой. Точнее, размер протона в 100000 раз меньше размера атома водорода.
Для сравнения, размер Солнца всего в 3000 раз меньше размера Солнечной системы (если считать по орбите Нептуна). Именно так – в атоме более пусто, чем в Солнечной системе! Вспоминайте об этом, когда смотрите на небо ночью.
Но вы можете спросить: «Секундочку! Вы утверждаете, что Большой адронный коллайдер как-то сталкивает протоны, имеющие в 100000 раз меньшие размеры, чем атом? Да как это вообще возможно?»
Столкновения протонов против мини-столкновений кварков, глюонов и антикварков
Столкновения протонов на БАК происходят с определённой энергией. Это было 7 ТэВ = 7000 ГэВ в 2011 году, и 8 ТэВ = 8000 ГэВ в 2012-м. Но специалистам по физике частиц в основном интересны столкновения кварка одного протона с антикварком другого протона, или столкновениях двух глюонов, и т.п. – то, что может привести к появлению по-настоящему нового физического явления. Эти мини-столкновения несут в себе малую долю общей энергии столкновения протонов. Насколько большую часть этой энергии они могут переносить, и зачем нужно было увеличивать энергию столкновений с 7 ТэВ до 8 ТэВ?
Ответ – на рис. 4. На графике показано количество столкновений, зафиксированных в детекторе ATLAS. В данных от лета 2011 года участвуют рассеяние кварков, антикварков и глюонов с других кварков, антикварков и глюонов. Такие мини-столкновения чаще всего производят два джета (струи адронов, проявления высокоэнергетических кварков, глюонов или антикварков, выбитых из родительских протонов). Измеряют энергии и направления джетов, и из этих данных определяют количество энергии, которое должно было участвовать в мини-столкновении. На графике показано количество мини-столкновений такого типа в виде функции энергии. Вертикальная ось логарифмическая – каждая чёрточка обозначает увеличение количества в 10 раз (10 n обозначает 1 и n нулей после него). К примеру, количество мини-столкновений наблюдаемых в промежутке энергий от 1550 до 1650 ГэВ равнялось порядка 10 3 = 1000 (отмечено голубыми линиями). Учтите, что график начинается с энергии в 750 ГэВ, но количество мини-столкновений продолжает расти, если вы изучаете джеты с меньшими энергиями, вплоть до момента, когда джеты становятся слишком слабыми, чтобы их засечь.
Рис. 4: количество столкновений как функция энергии (mjj)
Учтите, что общее количество столкновений протон-протон с энергией в 7 ТэВ = 7000 ГэВ приблизилось к 100 000 000 000 000. И из всех этих столкновений только два мини-столкновения превысили отметку 3500 ГэВ – половину энергии столкновения протонов. Теоретически энергия мини-столкновения может возрасти до 7000 ГэВ, но вероятность этого всё время падает. Мы настолько редко видим мини-столкновения с энергией 6000 ГэВ, что вряд ли увидим энергию в 7000 ГэВ, даже если соберём в 100 раз больше данных.
Но это ещё не всё. Посмотрите на голубую и зелёную линии на рис. 4: они показывают, что происходят на энергиях порядка 1400 и 1600 ГэВ – таких, что соотносятся друг с другом, как 7 к 8. На уровне энергии столкновения протонов в 7 ТэВ количество мини-столкновений кварков с кварками, кварков с глюонами и т.п. с энергией 1400 ГэВ более чем в два раза превышает количество столкновений с энергией в 1600 ГэВ. Но когда машина увеличивает энергию на 8/7, то, что выполнялось для 1400, начинает выполняться для 1600. Иначе говоря, если вас интересуют мини-столкновения фиксированной энергии, их количество растёт – и гораздо больше, чем 14% роста энергии столкновения протонов! Это значит, что для любого процесса с предпочтительной энергией, допустим, появления легковесных частиц Хиггса, которое происходит на энергиях порядка 100-200 ГэВ, вы получаете больше результата за те же деньги. Рост с 7 до 8 ТэВ означает, что для того же количества столкновений протонов вы получаете больше частиц Хиггса. Производство частиц Хиггса увеличится примерно на 1,5. Количество верхних кварков и определённых типов гипотетических частиц увеличится чуть сильнее.
Это означает, что хотя в 2012 году количество столкновений протонов увеличено в 3 раза по сравнению с 2011-м, общее количество полученных частиц Хиггса увеличится почти в 4 раза просто из-за увеличения энергии.
Кстати, рис. 4 также доказывает, что протоны не состоят просто из двух верхних кварков и одного нижнего, как изображают на рисунках типа рис. 3. Если бы они были такими, тогда кварки должны были бы переносить порядка трети энергии протонов, и большая часть мини-столкновений проходила бы с энергиями порядка трети от энергии столкновения протонов: в районе 2300 ГэВ. Но на графике видно, что в районе 2300 ГэВ ничего особенного не происходит. С энергиями меньше 2300 ГэВ происходит гораздо больше столкновений, и чем ниже вы спускаетесь, тем больше столкновений видите. Всё оттого, что в протоне содержится огромное количество глюонов, кварков и антикварков, каждый из которых переносит малую часть энергии протона, но их так много, что они участвуют в огромном количестве мини-столкновений. Это свойство протона и показано на рис. 2 – хотя на самом деле количество низкоэнергетических глюонов и пар кварк-антикварк гораздо больше, чем изображено на рисунке.
Но вот чего график не показывает, так это доли, которые при мини-столкновениях с определённой энергией приходятся на столкновения кварков с кварками, кварков с глюонами, глюонов с глюонами, кварков с антикварками, и т.д. На самом деле, напрямую из экспериментов на БАК этого и нельзя сказать – джеты от кварков, антикварков и глюонов выглядят одинаково. Откуда нам известны эти доли – это история сложная, в неё входят множество различных прошлых экспериментов и комбинирующая их теория. И отсюда нам известно, что мини-столкновения самых высоких энергий обычно происходят у кварков с кварками и у кварков с глюонами. Столкновения на низких энергиях обычно происходят между глюонами. Столкновения кварков и антикварков происходят относительно редко, но они очень важны для определённых физических процессов.
Распределение частиц внутри протона
Два графика, отличающихся масштабом вертикальной оси, показывают относительную вероятность столкновения с глюоном, верхним или нижним кварком, или антикварком, переносящим долю энергии протона, равную x. При малых x доминируют глюоны (а кварки и антикварки становятся равновероятными и многочисленными, хотя их всё равно меньше, чем глюонов), а при средних x доминируют кварки (хотя их становится крайне мало).
Оба графика демонстрируют одно и то же, просто с разным масштабом, поэтому то, что сложно увидеть на одном из них, проще рассмотреть на другом. А показывают они вот что: если в Большом адронном коллайдере на вас летит протонный луч, и вы ударяете по чему-либо внутри протона, насколько вероятно то, что вы ударите верхний кварк, или нижний кварк, или глюон, или верхний антикварк, или нижний антикварк, переносящий долю энергии протона, равную x? Из этих графиков можно вынести, что:
• Из того, что все кривые очень быстро растут при малых x (видно на нижнем графике), следует, что большая часть частиц в протоне переносит менее 10% (x 0,2) энергии протона – что бывает очень, очень редко – это, скорее всего, кварк, при этом вероятность того, что это верхний кварк, в два раза больше вероятности, что это нижний кварк. Это остатки идеи, что «протон – это два верхних кварка и один нижний».
• Все кривые с увеличением х резко падают; очень маловероятно, что вы столкнётесь с чем-либо, переносящим более 50% энергии протона.
Эти наблюдения непрямым образом отражаются на графике с рис. 4. Вот ещё пара неочевидных вещей по поводу двух графиков:
• Большая часть энергии протона делится (примерно одинаково) между небольшим количеством высокоэнергетических кварков и огромным количеством низкоэнергетических глюонов.
• Среди частиц по количеству преобладают низкоэнергетические глюоны, а за ними уже идут кварки и антикварки очень низких энергий.
Количество кварков и антикварков огромно, но: общее количество верхних кварков за вычетом общего количество верхних антикварков равно двум, а общее количество нижних кварков за вычетом общего количества нижних антикварков, равно одному. Как мы видели выше, лишние кварки переносят ощутимую (но не основную) часть энергии протона, летящего на вас. И только в этом смысле можно сказать, что протон в основном состоит из двух верхних кварков и одного нижнего.
Кстати, вся эта информация была получена из захватывающей комбинации экспериментов (в основном по рассеянию электронов или нейтрино с протонов или с атомных ядер тяжёлого водорода – дейтерия, содержащего один протон и один нейтрон), собранных вместе при помощи подробных уравнений, описывающих электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные взаимодействия. Эта долгая история тянется с конца 1960-х и начала 1970-х. И она прекрасно работает для предсказания явлений, наблюдаемых в коллайдерах, где сталкиваются протоны с протонами и протоны с антипротонами – таких, как Тэватрон и БАК.
Другие доказательства сложной структуры протона
Давайте посмотрим на кое-какие данные, полученные на БАК, и то, как они подтверждают утверждения о строении протона (хотя текущее понимание протона появилось уже 3-4 десятилетия назад, благодаря множеству экспериментов).
Количество столкновений такого типа в зависимости от энергии дано на рис. 4. То, что на низких энергиях количество столкновений гораздо больше, подтверждает тот факт, что большая часть частиц внутри протона переносит только малую долю его энергии. Данные начинаются с энергий в 750 ГэВ.
Рис. 7: данные для более низких энергий, взятые из меньшего набора данных. Dijet mass – то же, что mjj на рис. 4.
Данные для рис. 7 взяты из эксперимента CMS от 2010 года, на котором они строили график столкновений плоть до энергий в 220 ГэВ. Здесь построен график не количества столкновений, а немного сложнее: количества столкновений на ГэВ, то есть количество столкновений поделено на ширину столбца гистограммы. Видно, что тот же самый эффект продолжает работать на всём диапазоне данных. Столкновений типа тех, что изображены на рис. 6, при низких энергиях происходит гораздо больше, чем при высоких. И это количество продолжает расти до тех пор, пока уже невозможно становится различать джеты. В протоне содержится очень много низкоэнергетических частиц, и мало какие из них переносят ощутимую долю его энергии.
Что насчёт наличия в протоне антикварков? Три из самых интересных процессов, не похожих на столкновение, изображённое на рис. 6, иногда происходящие на БАК (в одном из нескольких миллионов столкновений протон-протон) включают процесс:
Они показаны на рис. 8.
Соответствующие данные с CMS даны на рис. 9 и 10. Рис. 9 показывает, что количество столкновений, в результате которых появляется электрон или позитрон (слева) и нечто необнаружимое (вероятно, нейтрино или антинейтрино), или же мюон и антимюон (справа), предсказано правильно. Предсказание делается комбинированием Стандартной Модели (уравнений, предсказывающих поведение известных элементарных частиц) и структуры протона. Большие пики данных возникают из-за появления частиц W и Z. Теория прекрасно совпадает с данными.
Рис. 9: чёрные точки – данные, жёлтое – предсказания. Количество событий указано в тысячах. Слева: центральный пик появляется из-за нейтрино в частицах W. Справа комбинируются лептон и антилептон, появляющиеся в столкновении, и подразумевается масса частицы, из которой они появились. Пик появляется из-за получающихся частиц Z.
Ещё больше деталей можно видеть на рис. 10, где показано, что теория по количеству не только указанных, но и многих связанных с ними измерений – большинство из которых связаны со столкновениями кварков с антикварками – прекрасно совпадает с данными. Данные (красные точки) и теория (синие отрезки) никогда не совпадают точно из-за статистических флуктуаций, по той же причине, по которой вы, десять раз подбросив монету, не получите обязательно пять «орлов» и пять «решек». Поэтому точки-данные размещаются в пределах «полосы ошибки», вертикальной красной полоски. Размер полосы такой, что для 30% измерений полоса ошибки должна граничить с теорией, и всего для 5% измерений она должна отстоять от теории на две полосы. Видно, что все свидетельства подтверждают, что в протоне содержится множество антикварков. И мы правильно понимаем количество антикварков, переносящих определённую долю энергии протона.
Наконец, давайте подтвердим тот факт, что большая часть частиц в протоне – это глюоны.
Рис. 13: данные (чёрные точки) соответствуют теоретическим предсказаниям (красные колонки). Получено из измерения энергии электронов в столкновениях.
Получается, что данные вполне хорошо совпадают с теоретическими ожиданиями. Поэтому мы можем подтвердить, что, в самом деле, большая часть частиц в протоне – это глюоны, переносящие малую долю энергии протона.