Странный ландшафт частиц внутри протона нанесен на карту как никогда раньше

Протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, состоят из трех элементарных частиц еще меньшего размера, известных как кварки.

Новое исследование с беспрецедентной точностью нанесло на карту распределение различных видов кварк внутри протона, расширяя наше понимание этой важнейшей части атома.

Хотя квантовый ландшафт внутри протонов представляет собой бурлящую смесь кварков и противостоящих им антикварков, появляющихся и исчезающих, существует общее преобладание двух «ароматов» над остальными; два кварка положительного вкуса и один кварк отрицательного вкуса.

Под руководством физика-теоретика Шохини Бхаттачарьи из Брукхейвенской национальной лаборатории группа исследователей создала карту двух вкусов кварка с самым высоким разрешением.

«Наши расчеты показывают, что верхний кварк более симметрично распределен и распространяется на меньшее расстояние, чем нижний кварк», — говорит физик-теоретик Свагато Мукерджи из Брукхейвенской лаборатории.

Выводы Исследователи предполагают, что верхние и нижние кварки по-разному влияют на протон с точки зрения внутренней энергии, спина и различных других свойств. Это, в свою очередь, должно помочь в анализе будущих экспериментов по фундаментальной физике.

Графика, показывающая протон, движущийся к зрителю со скоростью, близкой к скорости света, с пространственным распределением импульса верхних кварков (слева) и нижние кварки (справа) внутри протона. (Брукхейвенская национальная лаборатория)

Вы можете думать об этом как об исследовании мешка с шариками: мешок — это протон, а кварки — это шарики, свободно удерживаемые на месте под действием силы. «глюонные» частицы. В ходе исследования было выявлено взаимодействие этих шариков друг с другом.

Использовалось множество передовых аналитических методов, чтобы отразить рассеянный свет на частицы и рассчитать их изменение импульса. Ранее такие расчеты предполагали, что изменения импульса будут одинаковыми повсюду, но расчеты команды подтвердили обратное.

Это позволило им измерить больше событий рассеяния. с большей точностью без увеличения вычислительной мощности. Затем они применили свои более точные результаты к моделям для дальнейшего понимания.

«Чтобы получить подробную карту, нам нужно проанализировать множество взаимодействий рассеяния, включающих различные значения изменения импульса протона». — говорит Бхаттачарья.

Невероятно, но реакции верхних и нижних кварков составляют менее 70 процентов вращения протона (мешка). Это говорит о том, что глюоны играют большую роль, чем предполагалось ранее.

Одним из ключевых используемых методов была решеточная квантовая хромодинамика (QCD), который помещает кварки в четырехмерную структуру, чтобы точно смоделировать их с небольшой помощью суперкомпьютера. Оцениваются все возможные взаимодействия, а затем вычисляются различные вероятности каждого из них.

В конечном счете, команда смогла составить карту этого мешка с шариками с разрешением примерно в 10 раз выше, чем предыдущие усилия. Когда дело доходит до такой фундаментальной физики, более высокое разрешение может иметь огромное значение.

Ученые все еще узнают больше о кварках и о том, как эти фундаментальные частицы заложили основу для всего того, что мы наблюдаем в космосе. Вселенная.

Дальнейшие эксперименты, использующие новые расчеты в качестве основы, уже запланированы для Ускорителя непрерывного электронного луча (CEBAF) и электронно-ионного коллайдера (EIC) — эксперименты, в которых будут изучаться фундаментальные законы природа и сама материя. Эти эксперименты должны помочь подтвердить модели, созданные в ходе этого исследования.

«Эти две взаимодополняющие вещи — теория и эксперимент — должны быть объединены, чтобы получить полное представление о протоне», — говорит физик Джошуа Миллер из Университет Темпл.

Исследование опубликовано в Physical Review D.