Физики измерили давление внутри протона

Физики измерили давление внутри протона

Ученые из Лаборатории Джефферсона «просканировали» внутренности протона с помощью глубоко-виртуального комптоновского рассеяния, рассчитали на основании этих данных функцию распределения партонов и один из трех гравитационных формфакторов, а также оценили давление внутри частицы. Оказалось, что давление внутри протона достигает значений порядка 1035 паскалей, что превышает давление внутри самого плотного объекта во Вселенной — нейтронной звезды. Статья опубликована в Nature.

Протоны входят в состав атомного ядра и образуют бо́льшую часть привычной для нас материи, однако сами по себе элементарными частицами не являются. На самом деле каждый протон состоит из более мелких частиц (кварков), связанных друг с другом переносчиками сильного взаимодействия (глюонами). При больших энергиях и кварки, и глюоны ведут себя как отдельные частицы (партоны) — другими словами, если вы разгоните протон до околосветовой скорости и столкнете его с электроном, вы обнаружите, что электрон не рассеивается на протоне как на одной «целой» частице, но взаимодействует с каждым из партонов по отдельности.

Тем не менее, кварки не могут существовать в качестве свободных частиц, но обязательно связываются в адроны (к числу которых относится и протон) из-за конфайнмента. Грубо говоря, кварки внутри адрона можно представлять себе как шарики, связанные друг с другом струнами (или трубочками), в которых сосредоточен основной поток сильного поля. Когда кварки отдаляются друг от друга достаточно далеко, струна рвется, и в месте ее разрыва образуется пара кварк-антикварк, которые сразу же связываются с исходными частицами. С другой стороны, чем ближе кварки находятся друг к другу, тем слабее они взаимодействуют из-за асимптотической свободы. Это свойство отличает сильное взаимодействие от всех остальных типов взаимодействий, которые при сближении только усиливаются.

Чтобы «просканировать» внутреннюю структуру протона, физики сталкивают его с другими частицами, разогнанными до больших скоростей, измеряют углы их разлета и импульсы, а также сечение взаимодействия. Удобнее всего использовать для этого глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (deeply virtual Compton scattering, DVCS). Грубо говоря, обычное комптоновское рассеяние — это просто отражение света, то есть упругое рассеяние фотонов на частице. Упругость процесса означает, что суммарная кинетическая энергия участвующих в нем частиц сохраняется. В таком процессе протон ведет себя «как целое», поскольку энергии фотона не хватает, чтобы проникнуть в его внутренности. Однако в DVCS вместо обычного фотона используется виртуальный фотон, который рождается при взаимодействии налетающего на протон высокоэнергетического электрона. Энергия такого фотона получается очень большой, и при рассеянии он «чувствует» отдельные кварки, а потом превращается в обычный фотон. Происходит такой процесс нечасто, однако при большом числе столкновений нужную статистику вполне можно набрать. Ранее физики уже использовали DVCS, чтобы исследовать внутреннюю структуру протона.

В новой статье группа ученых из Лаборатории Томаса Джефферсона под руководством Волкера Буркерта (Volker Burkert) определила с помощью DVCS один из трех гравитационных формфакторов протона и рассчитала на его основе зависимость давления от радиуса внутри частицы. Формфактор — это функция, которая описывает взаимодействие протяженной (не точечной) частицы с другими частицами и полями; соответственно, гравитационные формфакторы связаны с механическими свойствами протона. Единственный способ напрямую измерить эти функции — рассеять на протоне гравитон. К сожалению, существование гравитонов экспериментально не подтверждено, поэтому физикам приходится использовать непрямые методы, выводя механические свойства протона из его внутренней структуры — как, в частности, поступили авторы новой работы. Чтобы извлечь из данных DVCS зависимость давления от радиуса внутри протона, физики использовали следующую многоступенчатую схему. Во-первых, они связали обобщенное партонное распределение внутри протона с гравитационными формфакторами с помощью преобразования Меллина. Во-вторых, физики определили из данных DVCS комплексный комптоновский формфактор, связанный с такими наблюдаемыми величинами, как сечение рассеяния и асимметрия пучка. В-третьих, ученые выделили общую часть действительной и комплексной частей комптоновского формфактора и разложили ее по полиномам Гегенбауэра, которые являются обобщениями полиномов Лежандра и позволяют вывести гиперсферические функции, аналогичные сферическим функциям в трехмерном пространстве. Это позволило исследователям определить гравитационный формфактор d1(t), описывающий сдвиговые силы и давление внутри протона. Наконец, физики учли тот факт, что формфактор d1(t) связан с радиальным распределением давления p(r) с помощью бесселевого сферического интеграла, и рассчитали зависимость p(r).

В результате ученые обнаружили, что вблизи от центра протона давление положительно, то есть должно расталкивать кварки, однако при увеличении расстояния становится отрицательным и начинает связывать частицы. При этом пик отталкивания наступает на расстоянии около 0,6 фемтометров (6×10−13 метров) от центра протона и достигает величины порядка 1035 паскалей, то есть превышает давление внутри наиболее плотно упакованного объекта во Вселенной — нейтронной звезды. Минимальное значение давление принимает на расстоянии около 0,8 фемтометров.

Авторы статьи считают, что их работа поможет лучше разобраться во внутренней структуре протона и понять конфайнмент, а также объяснить, почему свободный протон не распадается на другие элементарные частицы, как это происходит с нейтроном и другими адронами. Несмотря на то, что в следующем году истории изучения протона исполнится сто лет (протон был открыт в 1919 году Эрнестом Резерфордом), физики до сих пор не могут понять некоторые его свойства. В частности, в июне 2010 года физики столкнулись с так называемой «загадкой радиуса протона» — расхождением в результатах экспериментов по определению зарядового радиуса протона, в которых участвовали обычные атомы или мезоатомы. Это расхождение достигает четырех процентов, что ставит под сомнение «бесконечную точность» квантовой электродинамики. Впрочем, некоторые ученые считают, что его можно списать на какие-нибудь неучтенные эффекты, искажающие результаты наблюдений, — например, на квантовую интерференцию.

N+1

Похожие новости:
Физики поставили рекорд статического давления
Международная группа физиков при участии специалистов из Балтийского федерального университета (Калининград) добилась рекордных показателей статического давления — свыше одного триллиона паскалей или десяти миллионов атмосфер. Это давление равносильно оказываемому десятью Эйфелевыми башнями, стоящими на кончике пальца ..
2016-07-25 1315 0 Наука и образование
0
Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией
Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне — чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц ..
2017-10-09 9568 0 Наука и образование
0
Физики «заглянули» внутрь Земли
Геофизики из США, Великобритании, Германии и Колумбии смоделировали условия в недрах Земли. Это необходимо для того, чтобы определить теплопроводность ядра и объяснить причины возникновения у планеты магнитного поля. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает EurekAlert!Ученые использовали ячейку ..
2016-06-05 1004 0 Наука и образование
0
Теорему о свободе воли проверили экспериментально
Физики из Китая и Испании впервые провели опытную проверку теоремы о свободе воли, которая утверждает, что экспериментатор свободен в выборе того, какое наблюдение осуществить. Теорема о свободе воли базируется (согласно авторам исследования) на трех аксиомах: (а) существует максимальная ..
2016-04-11 1007 0 Наука и образование
0
Голливуд назвали стимулом роста популярности физики среди молодежи
Число студентов-физиков в британских вузах за последние четыре года выросло почти в полтора раза, сообщает The Independent. По мнению ученых, популярность физики связана с фильмами (вроде «Интерстеллара» или «Гравитации»), а также широким освещением в СМИ таких проектов, как Большой адронный коллайдер ..
2015-04-01 879 0 Наука и образование
1
В МГУ изобрели линейку
Физики из Московского государственного университета имени Михаила Ломоносова совместно с коллегами из Швейцарии разработали новый метод получения сверхточных оптических линеек для измерения спектральных составов веществ. Посвященное этому исследование опубликовано в журнале Nature Physics. Об этом сообщается ..
2016-10-01 584 0 Наука и образование
0
Германия запустила термоядерный реактор с водородной плазмой
Институт физики плазмы Общества имени Макса Планка в немецком городе Грайфсвальд 3 февраля запустил термоядерный реактор Wendelstein 7-X с водородной плазмой. Прямая трансляция мероприятия была организована на сервисе Livestream. Пуск реактора Wendelstein 7-X с водородной плазмой состоялся в 17:25 ..
2016-02-04 1107 0 Наука и образование
0
В Москве пройдет научный фестиваль «День физики»
28 и 29 ноября 2015 года в культурном центре «ЗИЛ» пройдет последний в этом году научный фестиваль «Умной Москвы». Мероприятие будет посвящено физике. Об этом сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию «Ленты.ру».Основой программы для детей станут мастер-классы. Их продолжительность — 45-50 ..
2015-11-26 6375 0 Наука и образование
0
Нужна ли физике философия?
Столкнувшись с феноменом «тонкой настройки» Вселенной, физики запросили помощь философов. Когда прославленный учёный всерьёз говорит о миллионах мультивселенных, старый вопрос о нашем космическом одиночестве приобретает новый оттенок. Наша Вселенная постоянно расширяется, причём делает ..
2014-04-07 1370 0 Наука и образование
0
В ЦЕРНе построят новый суперколлайдер
В четверг физики ЦЕРНа объявили о планах строить новый кольцевой суперколлайдер, который, как они считают, сможет стать достойным преемником Большого адронного коллайдера LHC.  Это, конечно, не значит, что 27-километровый БАК устарел. После обнаружения частицы, которая, скорее всего, ..
2014-02-07 1093 0 Наука и образование
0
Физики смоделировали образование нуклонных кластеров при слиянии тяжелых ионов
Физики с помощью численного моделирования показали, какие нуклонные кластеры образуются в первые моменты после слияния тяжелых ядер. В частности, слияние ядер кислорода-16 приводит к возникновению промежуточного осциллирующей системы, которая может испускать альфа-частицы, сообщают ученые в статье в Physical ..
2017-12-18 3185 0 Наука и образование
0
В МГУ поймали волну и испытали детский восторг
Ученые МГУ создали магнитный волновод, который способен запирать нейтроны в узком пространстве. По словам Юрия Хайдукова, одного из авторов работы, физики буквально испытали детский восторг оттого, что им удалось поймать частицы с помощью поля. Об этом сообщается в пресс-релизе, ..
2018-01-15 1880 0 Наука и образование
-1
Физики анонсировали создание «микроба Шредингера»
Американские физики объявили о своем плане поместить живой организм в два состояния одновременно — чтобы продемонстрировать применимость квантовой механики к биологии. Опыт анонсирован в журнале препринтов arXiv, а коротко о нем сообщает The Guardian. Ученые хотят поместить обычный микроб в состояние неопределенности, ..
2015-09-19 903 0 Наука и образование
0
Физики предсказали образование триплетных куперовских пар при отсутствии магнитного упорядочивания
Физики-теоретики из Финляндии и Германии предложили схему, в которой образование триплетных куперовских пар происходит даже при отсутствии магнитного упорядочивания или внешнего магнитного поля. Для этого они использовали два трехмерных топологических изолятора, соединенные сверхпроводником. Предложенная схема будет полезна для создания спинтронных ..
2018-01-22 1748 0 Наука и образование
-1
Президент «Курчатовского института» рассказал о междисциплинарном образовании
Президент национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук рассказал о системе междисциплинарного образования для студентов физико-технических специальностей. Об этом он сообщил в интервью газете «Известия», опубликованном во вторник, 13 декабря.По словам главы центра, в «Курчатовском институте» существует проект ..
2016-12-14 3267 0 Наука и образование
0