Вообще, увидеть кварки физически невозможно. Вообще какие-либо частицы нельзя увидеть, так как это не мячики какие-нибудь, от которых могут отражаться или которыми могу поглощаться фотоны не в одиночных количествах. А именно фотоны могут "видеть" наши глаза.
Несмотря на это учёные всё же ухищряются заглянуть в микромир. Но пока максимум - это отдельные атомы, изображение которых получают при помощи сканирующего электронного микроскопа. Грубо говоря, картинку формируют не фотоны, а электрические и магнитные поля, тонкие изменения которых регистрирует чувствительный прибор, который сканирует исследуемый предмет с очень высокой точностью и разрешением. Есть даже изображения структур электронных оболочек атома! Что уже круто!
И кажется, что дальше уже невозможно заглянуть. Можно лишь полагаться на свою фантазию! Я был просто в этом уверен!
Однако читаю заголовок: "Calculations reveal high-resolution view of quarks inside protons" или "Расчеты показывают изображение кварков внутри протонов с высоким разрешением", если на родном.
Сразу сбивает весь восторг слово "расчёты", однако это всё же не просто моделирование, этого всего и ранее навалом было. Учёные всё же ставили эксперименты, а не только тыкали кнопки на суперкомпьютерах.
Это совместная работа теоретиков-ядерщиков из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Аргоннской национальной лаборатории, Университета Темпл, Университета Адама Мицкевича в Польше и Боннского университета в Германии. Результаты, опубликованные в Physical Review D, помогли не только "увидеть" кварки в протоне, но и выявили ключевые различия в характеристиках верхних и нижних кварков.
«Эта работа является первой, в которой используется новый теоретический подход для получения карты кварков внутри протона с высоким разрешением» , — сказал Свагато Мукерджи из группы ядерной теории Брукхейвенской лаборатории и соавтор статьи. «Наши расчеты показывают, что верхний кварк более симметрично распределен и распространяется на меньшее расстояние, чем нижний кварк. Эти различия означают, что верхний и нижний кварк могут вносить различный вклад в фундаментальные свойства и структуру протона, включая его внутреннюю энергию и спин».
Эксперименты проводились на Ускорителе непрерывного электронного луча (CEBAF) в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона, а также планируются более точные исследования на будущем электронно-ионном коллайдере (EIC) в Брукхейвенской лаборатории. В этих экспериментах используется рассеяние виртуальных (на минуточку) фотонов на протонах. Сами виртуальные фотоны, конечно, не регистрируются, однако с ними взаимодействуют протоны, при этом не разрушаясь, однако меняется их импульс, что и регистрируют учёные. Сами виртуальные фотоны производят при помощи высокоэнергетических электронов внутри ускорителя. Всё это позволяет ученым получить информацию о кварках и глюонах, расположенных внутри протона.
Особый интерес представляет обобщенное распределение Партона (GPD) протона, которое описывает, как энергия-импульс и другие характеристики кварков и глюонов распределяются внутри протона. GPD можно представить как карту, которая показывает вероятность нахождения кварков и глюонов с определенными характеристиками внутри протона. Изучение распределения этих характеристик позволяет ученым лучше понять внутреннюю структуру протона и применить эти знания в новых областях.
«Чтобы получить подробную карту, нам нужно проанализировать множество взаимодействий рассеяния, включающих различные значения изменения импульса протона», — сказал Шохини Бхаттачарья, научный сотрудник группы ядерной теории Брукхейвена и Исследовательского центра RIKEN BNL (RBRC).
Однако для эффективного моделирования изменений импульса протона исследователям пришлось разработать новый теоретический подход, который был опубликован в журнале Physical Review D. Ранее использовалась упрощенная модель, согласно которой изменение импульса протона равномерно распределялось до и после рассеяния света. Новый подход позволяет более точно моделировать реальность и избежать вычислительных сложностей.
«Каждое значение изменения импульса протона требовало отдельного моделирования, что значительно увеличивало вычислительную нагрузку для получения подробной карты протона», — пояснил Бхаттачарья.
«Новый метод может смотреть на эффект передачи импульса как на исходящий протон — конечное состояние. Это дает представление, которое ближе к реальному физическому процессу», — сказала она.
«Самое главное, новый теоретический подход позволяет моделировать многочисленные значения передачи импульса в рамках одной симуляции».
Для решения уравнений квантовой хромодинамики (КХД), которые описывают взаимодействия кварков и глюонов, ученые используют метод КХД на решетке. В этом методе кварки размещаются на дискретизированной пространственно-временной решетке, где они взаимодействуют друг с другом. Суперкомпьютеры решают уравнения КХД, учитывая все возможные взаимодействия между кварками и глюонами. Благодаря этому методу, ученым удалось получить отдельные изображения верхних и нижних кварков и вычислить их индивидуальные GPD.
«Новый формализм для моделирования взаимодействия фотонов (частиц света) с протонами позволил нам использовать КХД на решетке для моделирования гораздо большего количества передач импульса для получения изображений с более высоким разрешением примерно в 10 раз быстрее, чем предыдущие попытки», — сказал он. соавтор исследования Сян Гао, научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории.
Если изложить попроще, то в уравнениях квантовой хромодинамики слишком много разных параметров, которые могут выдавать самые разные решения, и все они будут верными. Некоторые параметры принимаются на основе некоторых допущений. Весьма обоснованных, конечно, но всё же это допущения. А теперь учёные при помощи рассеяния света на протонах смогли получить данные, необходимые для уточнения параметров моделей квантовой хромодинамики и с высокой точностью решить эти уравнения, получив карту распределения параметров кварков и глюонов внутри протона. Картинку, короче, причем с высоким разрешением.
Одним из основных аспектов исследования было составление карты распределения зарядов верхних и нижних кварков внутри протона. Это позволило ученым лучше понять, как эти элементарные частицы взаимодействуют друг с другом и какие роли они играют в формировании свойств протона.
Дополнительно к этому, исследователи также изучили распределение импульса и заряда кварков в поляризованных протонах. Поляризация протона означает, что его спин выравнен в определенном направлении. Этот аспект исследования позволил ученым более детально изучить, как спин протона связан с его внутренней структурой.
«В поляризованном протоне мы обнаружили, что распределение импульсов нижних кварков особенно асимметрично и искажено по сравнению с распределением импульсов верхних кварков», — сказал Гао. «Поскольку пространственное распределение импульса говорит нам об угловом моменте кварков внутри протона, эти результаты показывают, что разные вклады верхних и нижних кварков в спин протона возникают из-за их различного пространственного распределения», — отметил он.
Исследователи пришли к выводу, что верхние и нижние кварки составляют менее 70% общего спина протона. Это означает, что глюоны также вносят значительный вклад в спин протона. Глюоны играют важную роль в силовых взаимодействиях внутри атомного ядра, и понимание их вклада в спин протона является ключевым для более глубокого понимания этих процессов.
Экспериментальные результаты, полученные на релятивистском коллайдере тяжелых ионов Брукхейвенской лаборатории (RHIC), подтверждают идею о значительном вкладе глюонов в спине протона.
Будущий EIC (Электрон-ионный коллайдер) будет играть важную роль в дальнейших исследованиях этой темы. Новые теоретические предсказания будут использоваться для сравнения с экспериментальными данными, полученными на EIC, и помогут ученым интерпретировать результаты и давать более полное представление о внутренней структуре протона и силовых взаимодействиях внутри атомного ядра.
«Новые теоретические предсказания будут использоваться для предоставления необходимой информации для сравнения с этими экспериментами и для помощи ученым в интерпретации их данных«, — отметил Джошуа Миллер, соавтор, защищающий докторскую диссертацию в Университете Темпл.
«Эти две взаимодополняющие вещи — теория и эксперимент — должны быть объединены, чтобы получить полное представление о протоне», — сказал Миллер.