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:
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 11933 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 1748 0 Наука и образование
0
Венчурный фонд под управлением УК Роснано запустят в 2015 году
Реализация стратегии ОАО "Роснано" предполагает создание инвестиционных фондов разного типа, в том числе венчурных фондов, говорится в ключевых положениях долгосрочного бизнес-плана "Роснано" до 2020 года, текст которого есть в распоряжении РИА Новости. Согласно новой стратегии ОАО "Роснано", принятой ..
2014-02-15 1550 0 Наука и образование
0
Алферов: РАН должна перейти от выживания к развитию
Академик Жорес Алферов написал открытое письмо президенту РФ Владимиру Путину по поводу грядущей реформы Российской академии наук. "Предложенный Дмитрием Медведевым и Дмитрием Ливановым в пожарном порядке закон о реорганизации РАН и других государственных академий наук и, как сейчас очевидно, поддержанный ..
2013-07-30 1584 0 Наука и образование
0
Россияне заняли третье место на Олимпиаде по математике
Она проходила в Колумбии. Российская команда обошла соперников из более чем 90 стран и заняла в общем зачёте третье место, уступив только Китаю и Южной Корее. За 2 дня участникам предстояло решить 6 сложнейших задач по 3 в каждый день. И наша команда справилась с этим великолепно. ..
2013-07-30 1428 0 Наука и образование
0
На программу развития Сколково выделено 502 млрд
На государственную подпрограмму «Создание и развитие инновационного центра «Сколково» до 2020 года выделено 502 млрд рублей, из них бюджетные средства - 135,6 млрд рублей, сообщил в четверг министр экономического развития России Алексей Улюкаев. «Финансирование подпрограммы составит 502 миллиарда рублей, из которых ..
2013-08-1 1409 0 Наука и образование
0
Сонин о стене серости, реформе РАН и плагиате
В конце июня стало известно, что проректор Российской экономической школы (РЭШ) Константин Сонин принял решение покинуть это учебное заведение. Сонин, один из самых известных экономистов России, пояснил, что не испытывает по поводу ухода «ни злобы, ни горечи», а также ..
2013-08-2 1314 0 Наука и образование
0
Все лекции MIT теперь можно прослушать через Интернет
На официальном сайте Массачусетского технологического института пользователи смогут найти записи лекций, семинаров и обучающих курсов ведущих профессоров MIT. Учебные материалы представлены как в виде видеоуроков, так и в виде аудиофайлов. Чтобы повысить свой образовательный уровень, нужно знать ..
2013-08-3 1616 0 Наука и образование
0
Академия наук в Америке
Американская Академия наук очень большая. Куда больше российской или французской, а называется она - «университеты». По старой британской традиции слово Academy обозначает систему высшего образования, а academic - преподаватель университета. Можно вспомнить слова студенческой песни средневековых школяров: ..
2013-08-4 2711 0 Наука и образование
0
Университет Калифорнии откроет все свои публикации
Университета Калифорнии в США объявил о том, что все новые научные статьи, которые будут написаны его сотрудниками, выложат в открытый доступ. Это значит, что помимо публикации в научных журналах они попадут в бесплатную онлайн-библиотеку, воспользоваться которой сможет любой желающий. Подробности приведены на официальном ..
2013-08-5 1498 0 Наука и образование
0
РАН проведет внеочередное собрание для обсуждения реформы
Российская академия наук проведет внеочередное собрание в начале сентября, передают интернет-СМИ. Президент РАН Владимир Фортов пояснил, что поводом для сбора послужила необходимость обсуждения грядущей реформы академии. В конце июня Минобрнауки объявило о масштабной реформе РАН. Госдума приняла ..
2013-08-6 1147 0 Наука и образование
0
Ученых поделят на лидеров и аутсайдеров
Минобрнауки предлагает раз в пять лет проверять научные организации на эффективность. Утративших научный профиль ждет реорганизация или ликвидация. Минобрнауки вслед за мониторингом эффективности вузов хочет ввести похожую процедуру с научными организациями. Ведомство выставило разработанный документ для общественного обсуждения: ..
2013-08-6 1316 0 Наука и образование
1
РАН обсудит реформу на чрезвычайном общем собрании 5 сентября
Чрезвычайное общее собрание Российской академии наук, на котором будут обсуждаться поправки к резонансному закону о реформе РАН, назначено на 5 сентября, заявил председатель профсоюзов РАН Виктор Калинушкин. "Уже 5 сентября, как нам сообщил сегодня Владимир Евгеньевич Фортов (президент РАН - ИФ), будет ..
2013-08-7 1184 0 Наука и образование
0
Эксперт: управлять вузами должны ученые
Ректор Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения Анатолий Оводенко рассказал "Росбалту" о кадровом голоде в науке. "В России сейчас отсутствует среднее инженерное звено в возрасте от 30 до 50 лет, оно практически потеряно. И даже если мы сейчас начнем быстро заполнять инженерные ..
2013-08-19 1340 0 Наука и образование
0
Иран намерен создать собственную научную станцию в Антарктиде
Иран намерен создать постоянную научную станцию в Антарктиде. Об этом сегодня заявил агентству Фарс командующий ВМС Ирана вице-адмирал Голямреза Хадем Бигам. "Изучение вод Антарктики является вопросом, стоящим на повестке дня для Исламской Республики. И на первом этапе наше присутствие ..
2013-08-21 1244 0 Наука и образование
0