Протон обладает большей квантовой структурой, чем считалось

Фото из открытых источников

Протоны имеют более квантовую внутреннюю структуру, чем мы предполагали ранее, что меняет наше представление об этих частицах, лежащих в основе каждого атома. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Исследователи давно знают, что протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками и глюонами, но детали их поведения и распределения было сложно точно определить. Однако эти детали действительно важны – насколько хорошо мы понимаем внутреннюю структуру протона, влияет на то, насколько хорошо мы можем интерпретировать эксперименты, в которых они сталкиваются, направленные на поиск новых частиц или раскрытие секретов фундаментальных сил.

Наилучшим математическим инструментом физиков для понимания внутренней структуры протона в настоящее время является партонная модель. Она позволяет им вероятностно рассчитать плотность частиц внутри протона, точно определив, каким, например, скорее всего, будет его состав в экспериментах на ускорителях.

«Партонная модель чрезвычайно мощна: это основной источник всех наших знаний о внутренней структуре протона. Но если взглянуть на её современное состояние, становится ясно, что лежащая в её основе картина довольно классическая», — говорит Алексей Владимиров из Мадридского университета Комплутенсе. «Это, конечно, неверно, потому что мы знаем, что квантовая механика существует».

Исследователи теоретизировали и искали квантовые эффекты внутри протонов с 1980-х годов, говорит Владимиров, но за эти годы различные эксперименты привели к неясным и, порой, противоречивым выводам.

Чтобы получить более ясную картину, он и его коллеги сосредоточились на одном процессе, которому могут подвергаться кварки и глюоны, и который является отличительной чертой квантовой природы: интерференции. Квантовые частицы имеют волнообразную природу, и интерференция эквивалентна перекрытию и усилению двух квантовых волн материи в одних местах и ​​взаимному подавлению в других.

Математически, если в классической теории две вероятности просто складываются, то при наличии интерференции их объединение приводит к большему количеству математических членов, чем просто сумма.

Исследователи разработали способ извлечения математических признаков квантовой интерференции из комбинации более чем десятка очень разнообразных наборов данных. Например, некоторые данные были получены из лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария, а другие — из немецкой национальной лаборатории DESY в ходе совершенно разных экспериментов, ни один из которых не был предназначен для поиска интерференции.

«Все предыдущие исследования потерпели неудачу, потому что люди пытались рассматривать только один источник данных», — говорит Владимиров. Хотя объединение всех данных представляло собой большую техническую проблему, оно окупилось новой ясностью. Исследователи смогли идентифицировать конкретные случаи квантовой интерференции внутри протона, такие как интерференция глюона с комбинацией кварка и антикварка, который является его антиматериальным компаньоном.

Владимиров говорит, что это подчеркивает, насколько физикам следует быть более внимательными к квантовому характеру протона. «Общепринято считать, что протон почти как классический мешок частиц, и тот факт, что мы демонстрируем обратное, означает, что он более квантовый, чем обычно считается», — говорит он.

«Ценность этого исследования заключается в том, что оно собирает много информации из разных источников и говорит: „Смотрите, теперь мы определенно видим, что эти квантово-механические эффекты, эти малые эффекты, обусловленные квантовой интерференцией, присутствуют в физических процессах“», — говорит Владимир Браун из Регенсбургского университета в Германии.

Это первый случай проведения анализа такого масштаба, и он должен стимулировать дальнейшие эксперименты, говорит Браун. Например, будущие эксперименты на таких установках, как Национальный ускоритель имени Томаса Джефферсона в Вирджинии, могли бы обнаружить дополнительные признаки квантовой интерференции и связать их с другими эффектами, происходящими при столкновениях быстрых частиц.

Хотя он никогда не сомневался в квантовости протона, Браун все же был удивлен деталями интерференционных эффектов, наиболее четко наблюдаемыми в новой работе. «Я занимался физикой этого направления 40 лет и ожидал, что основные эффекты будут наблюдаться в другом месте», — говорит он.

В дальнейшем команда планирует расширить свой набор данных и анализ, а также повысить достоверность полученных результатов. Также стоит важный вопрос о том, как интерпретировать результаты и рассказать более полную историю о том, каково на самом деле внутреннее устройство протона. Например, эффект интерференции связан с квантово-механическим спином кварков и глюонов, который до сих пор не был достаточно точно понят или измерен.

Физики также еще не решили вопрос о том, как интерференция связана с силами, действующими на кварки и глюоны, говорит Владимиров. Следует отметить, что сильное ядерное взаимодействие, связывающее кварки, является одной из четырех фундаментальных сил природы, поэтому понимание этого позволило бы нам лучше понять основные законы нашей Вселенной.