Эксперименты на американском коллайдере RHIC приблизили российских и зарубежных физиков к пониманию того, что отвечает за формирование спина протона, и раскрыли неожиданную роль "виртуальных" античастиц в его рождении. Их выводы были представлены в журнале Physical Review D.
"Прошлые эксперименты на RHIC показали, что глюоны могут играть важную роль в формировании спина протона. Теперь нам удалось выяснить, что "море" виртуальных частиц, постоянно возникающих и аннигилирующих внутри протонов, тоже влияет на его свойства. Вдобавок, мы выяснили, что эти пары появляются далеко не случайным образом. Теперь мы обязательно должны глубже заглянуть в это "море", — рассказывает Эрнст Зихтерманн (Ernst Sichtermann) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США).
По современным представлениям, все элементарные частицы состоят из небольших объектов, которые физики называют кварками. Протоны, нейтроны и прочие "тяжелые" частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Их меньшие собратья, так называемые мезоны, содержат в себе два элемента – "обычный" кварк и антикварк, базовую составляющую антиматерии.
Каждый кварк обладает своим собственным уникальным набором свойств, в том числе зарядом, спином и прочими квантовыми характеристиками. В прошлом ученые считали, что их сумма полностью определяет то, как ведет себя сложенная из них частица. К примеру, отсутствие заряда у нейтрона объясняется тем, что он состоит из одного верхнего кварка (u), заряженного положительно, и двух его нижних "кузенов"(d), имеющих вдвое меньший отрицательный заряд.
В конце восьмидесятых годов прошлого века физики, работавшие с ускорителем EMC в стенах ЦЕРНа, обнаружили, что это правило не работает как минимум для одного свойства протона – его спина. Как показали первые замеры этой характеристики для верхних и нижних кварков, их сумма в лучшем случае объясняла четверть реального спина протона, а часть данных вообще намекала на то, что они никак не участвуют в его формировании.
Эта проблема, получившая громкое имя "протонный спиновый кризис", так и не была разгадана за последующие сорок лет. Сегодня над ее решением работает ускоритель RHIC – единственная в мире установка, способная вырабатывать пучки протонов, чей спин направлен в определенную сторону.
Сталкивая их с потоком частиц, чьи спины ориентированы случайным образом, ученые наблюдали за тем, как возникают и распадаются так называемые W-бозоны, переносчики слабых ядерных взаимодействий. Существует два типа подобных частиц, заряженные отрицательно и положительно. Первые возникают в результате распада нижних кварков и антикварков, а вторые – их "верхних" кузенов.
И те, и другие бозоны, как объясняют физики, "уносят" с собой информацию о том, каким спином обладали составляющие протона до его уничтожения. Соответственно, наблюдения за их распадами позволяют понять, из чего состоит эта характеристика частиц и что управляет ее поведением.
В прошлом, как отмечают Зихтерманн и его коллеги, теоретики считали, что два других типа "жителей" протонов – глюоны и "виртуальные" пары кварков и антикварков, возникающие в протоне в результате квантовых флуктуаций вакуума, не влияют на спин протона по двум причинам. Для первых это было "запрещено" их свойствами, а вторые рождались слишком случайно для того, чтобы внести какой-то дисбаланс в устройство протона.
Многолетние наблюдения за распадами W-бозонов на RHIC показали, что это далеко не так, и раскрыли одно крайне необычное и пока необъяснимое свойство "виртуальных" антикварков в формировании спина.
Оказалось, что пары кварков и антикварков формируются внутри протонов далеко не случайным образом – в них возникает гораздо больше d-антикварков, чем u-антикварков. При этом, по пока необъяснимым причинам, вторые влияют на спин протона гораздо сильнее, чем их более многочисленные собратья. По расчетам ученых, на их долю приходится от 5 до 20% от общего значения спина протона.
В сумме с предположительным влиянием "обычных" кварков это объясняет лишь примерно половину "спинового кризиса". Это одновременно частично раскрывает эту загадку и углубляет ее, заставляя физиков искать другие источники спина в более экзотических типах частиц, способных зарождаться внутри протонов, заключают авторы статьи.
По информации https://ria.ru/20190315/1551829151.html
Обозрение "Terra & Comp".
