Новый эксперимент проливает свет на загадочные свойства протона, раскрывая больше информации о внутренностях частицы и о том, как устроена сама материя в мельчайших масштабах.
Скромный протон — стержень материальной Вселенной. Его характеристики определяют химию, управляя группами электронов, которые превращают атомы в молекулы, а молекулы — в невероятное многообразие веществ. Насколько нам известно, внутренняя структура протона представляет собой хаотичную смесь активности, которую ученые все еще пытаются расшифровать.
Исследователи со всех концов США смогли измерить движения крошечных фундаментальных частиц, называемых глюонами, которые удерживают протоны вместе. Ранее называвшееся глюонным гравитационным форм-фактором протона, это измерение действует как своего рода окно в структуру массы положительно заряженной ядерной частицы.
Команда обнаружила, что радиус массы протона отличается от радиуса, покрывающего распределение его электрического заряда, который часто используется в качестве показателя размера протона. Хотя эти значения не обязательно должны совпадать, различия между ними могут рассказать ученым больше о том, как устроен протон.
«Радиус этой массовой структуры меньше, чем радиус заряда, и поэтому он как бы дает нам представление об иерархии массы по сравнению с зарядовой структурой нуклона», — пояснил Марк Джонс, старший научный сотрудник Института Томаса Джефферсона в Вирджинии.
Поскольку у глюонов нет заряда и массы, их измерения необходимо проводить косвенно, например, по продуктам распада пар кварков и антикварков, известных как мезоны. В эксперименте использовался электронный пучок и фотонный пучок, проходящий через жидкий водород, что привело к взаимодействиям, в результате которых образовался тип мезона, называемый частицей J/ψ.
Измерив выпадение частиц J/ψ и сравнив результаты с теоретическими моделями, ученые рассчитали различные распределения массы и электрического заряда внутри протона.
Больший радиус электрического заряда означает, что масса протона сконцентрирована, а потому можно предположить, что некоторые из глюонов могут выходить за пределы кварков, несущих массу, тем самым ограничивая их.
Но не позволяйте вездесущей природе протона обмануть вас. Его квантовые частицы появляются и исчезают таким образом, что это сложно картировать. Более точная информация о структуре массы и заряда протона поможет нашему фундаментальному пониманию частиц, которые составляют Вселенную вокруг нас. Однако ученые признают, что это лишь первый шаг: новые результаты частично основаны на теоретических моделях, упомянутых в дополнение к экспериментальным наблюдениям, и пока не ясно, как именно распределяется масса протона и связана с глюонной активностью.