Физики уточнили вклад «ядерного клея» в спин протона

Физики уточнили вклад «ядерного клея» в спин протона

Международная коллаборация физиков PHENIX получила новые данные о вкладе в спин протона глюонов — специальных частиц, ответственных за «склеивание» между собой кварков. Исследование является следующим шагом в разрешении «кризиса протонного спина» и уточняет роль переносчиков сильных взаимодействий в формирование фундаментальных свойств материи. Работа опубликована (препринт) в журнале Physical Review D, кратко о ней сообщает пресс-релиз Брукхэвенской национальной лаборатории.

Собственным угловым моментом или спином называется специальная квантовая характеристика, чаще всего отождествляемая в научно-популярной литературе с направлением вращения частицы. Но это сравнение не вполне корректно: если заменить протон классическим объектом, например, шариком аналогичной массы и радиуса, то несложные вычисления покажут, что точки на его поверхности движутся со сверхсветовой скоростью. Несмотря на квантовость, и величина и направление спина влияют на вполне конкретные физические явления — отклонение траектории в магнитном поле и на поведение частиц в крупных системах. Для протона спин равен 1/2.

По современным представлениям, протоны состоят из кварков, связанных между собой глюонами, своеобразным «ядерным клеем». Поэтому суммарный спин протона должен представлять собой некую сумму угловых моментов объектов, из которых он состоит. К примеру, в состав покоящегося протона входят три кварка (два u-кварка и один d-кварк), каждый из которых несет спин 1/2. Ранее ученые считали что один из этих компонентов просто «вращается» в другую сторону, что объясняло суммарный угловой момент в 

(1/2) + (-1/2) + (1/2) = 1/2.

Однако в 1989 году коллаборация EMC (European Muon Collaboration) опубликовала исследование, согласно которому суммарный спин кварков в протонах вносит лишь небольшой вклад, он может быть даже нулевым. Иначе говоря, спиновая поляризация («направленность») протона не обязательно приводит к поляризации кварков.  В тот момент возник «кризис протонного спина» — физикам предстояло выяснить кто ответственен за большую часть углового момента протона. Здесь стоит отметить важный момент — количество кварков и глюонов, из которых состоит протон, относительная величина и меняется в зависимости от того, из какой системы отсчета мы смотрим на протон. Чем быстрее для нас движется протон и чем больше его энергия, тем из большего количества частиц, как нам кажется, он состоит.

Дальнейшие работы уточнили, что кварки все же вносят некоторый вклад в спин протона, но он не достигает 30 процентов общего. Физики предположили, что остальной вклад могут вносить глюоны, угловым моментом которых пренебрегали в ранних расчетах. Для того, чтобы измерить его, необходимо было поставить эксперимент, в котором свойства «ядерного клея» играли бы решающую роль. Один из таких экспериментов предложили провести на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхэвенской национальной лаборатории — до 2010 года самом мощном коллайдере тяжелых ионов в мире. 

В эксперименте ученые сталкивали между собой пучки протонов с четко заданными направлениями спинов. В первой серии столкновений спины в пучках были сонаправлены. Затем один из пучков «переворачивали» и следили за тем как меняется характер осколков от столкновения частиц. В частности, физики следили за темпами рождения в столкновениях нейтральных пионов. В этом процессе активно участвуют глюоны, поэтому если их вклад в спин протона существенен, то «пререворачивание» пучка приведет к значительным изменениям в свойствах пионов — их импульсах и траекториях.

Первые результаты экспериментов были опубликованы в 2014 году — тогда ученым удалось доказать, что вклад глюонов велик и может достигать по величине вклад кварков. Тогда столкновения проводились при энергиях до 200 гигаэлектронвольт. В новой работе физики подняли энергию в два с половиной раза — до 510 гигаэлектронвольт. Авторы сравнивают увеличение энергии столкновений с использованием более сильного микроскопа, позволяющего увидеть более тонкие эффекты. Согласно препринту, это вносит дополнительные ограничения на глюонный вклад, однако ученые ссылаются на внутреннюю переписку с научной группой DSSV (de Florian—Sassot—Stratmann—Vogelsang) — точные данные не приводятся.

В угловом моменте протона существует и третий компонент — вклад орбитального углового момента. Физический смысл этой величины состоит в следующем: подобно электронам в атоме, глюоны и кварки могут вращаться внутри протона. Оценить эту величину экспериментально гораздо сложнее. Кроме того, физики-теоретики неоднозначно трактуют эту величину, что послужило причиной серьезных споров в научной среде.

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Физики вновь озадачены результатами измерений протона
Очередные попытки измерить размер протона поставили ученых в тупик. Результаты вновь оказались отличными от предыдущих, полученных при использовании других методов, и причины этих различий ученые найти не могут. В этот раз физики измерили размер протона при помощи метода ..
2014-01-15 2504 3 Научные открытия
3
Физики впервые рассчитали «состав» массы протона
Физики из США и Китая впервые рассчитали вклады в массу протона, связанные с различными эффектами. Для расчетов, выполненных в рамках решеточной КХД, ученые использовали суперкомпьютер «Титан» производительностью около 27 петафлопс. В результате исследователи получили, что кварковый конденсат обеспечивает около ..
2019-02-26 1878 0 Научные открытия
0
Физики впервые измерили слабый заряд протона
Физики впервые провели экспериментальное измерение слабого заряда протона. Статья ученых принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе Лаборатории Джефферсона (Jefferson Lab), где и было сделано открытие. Слабое взаимодействие - одно из четырех ..
2013-09-18 1998 0 Научные открытия
0
Размер протона озадачил физиков
Физики провели измерение размера протона, результаты которого вновь оказались отличны от результатов других методов, причем причины этих различий до сих пор не ясны. Статья ученых опубликована в журнале Science , а ее краткое содержание приводит NatureNews. Для измерения размера протона ..
2013-01-26 1963 0 Научные открытия
0
К загадке радиуса протона добавили дейтрон
Международная коллаборация физиков CREMA обнаружила новые указания на то, что в радиусе протона есть неопределенность. Исследователи проанализировали поведение мюонного дейтерия — частицы, в которой вокруг ядра из нейтрона и протона вращается мюон. Оказалось, что зарядовый радиус дейтрона — ядра дейтерия ..
2016-08-13 2016 0 Научные открытия
0
Физики ограничили параметры гипотетической «теории всего»
Две группы ученых исследовали, как сильно отличаются приливные силы и расстояние до Луны от предсказаний теории относительности. Таким образом им удалось ограничить возможные вклады из-за лоренц-нековариантности, которые предсказывались расширением стандартной модели (претендующим на роль «теории всего»). В результате ..
2017-11-21 4716 0 Научные открытия
0
Физики построили квантовый компьютер в алмазе
Новое устройство содержит всего два кубита, но зато демонстрирует хорошую устойчивость. При этом кристалл работает при комнатной температуре. Последняя деталь будет очень важна, если исследователи когда-нибудь попытаются сделать квантовые компьютеры по-настоящему массовыми.  Физики из Нидерландов и США создали ..
2015-10-11 1879 0 Научные открытия
1
Раскрыта тайна спин-орбитального взаимодействия в сверхпроводимости
Международная группа исследователей при участии сотрудника МГУ выяснила, что, вопреки устоявшемуся мнению, существенную роль в механизмах формирования сверхпроводимости в железосодержащих сверхпроводниках (Fe-ВТСП) играет так называемое спин-орбитальное взаимодействие. Статья о проведенном ими исследовании была опубликована в журнале Nature Physics.Спин-орбитальным ..
2015-12-28 1703 0 Научные открытия
0
Исследование: квантовый компьютер получает новый толчок
Новое исследование в соавторстве с исследователем Калифорнийского университета из Санта-Барбары может дать дополнительный толчок магнитно-резонансной томографии («МРТ») на наноуровне и квантовому компьютеру, которые являются одними из достижений продвигающиеся всё ближе к пределам возможного, сообщает «WordScience». Данные результаты недавно появилась ..
2012-02-28 1575 0 Научные открытия
0
Физики из ЦЕРНа уточнили массу бозона Хиггса
Физики двух коллабораций ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid) объединили свои данные по массе бозона Хиггса и таким образом получили ее уточненное значение. Об этом сообщается на сайте ЦЕРНа. Уточненное значение массы бозона Хиггса равняется 125,09±0,24 ..
2015-03-20 2368 0 Научные открытия
0
Физики приблизили мир к промышленному термояду
Учёным Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН удалось разогреть термоядерную плазму до рекордной электронной температуры 400 электрон-вольт (4 499 726,85 градусов Цельсия). Это достижение – важный результат на пути к термоядерной энергетике, подтверждающий возможность создания нейтронных генераторов ..
2013-12-6 1865 0 Научные открытия
0
Физики из Тэватрона отвергли экзотические свойства бозона Хиггса
Физики из Тэватрона (коллайдера в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми — Фермилаба) продолжают сообщать о полученных ими ограничениях на свойства бозона Хиггса. Об этом рассказывает Science News. На этот раз физики из коллабораций CDF и D0 сообщили о том, что им удалось проанализировать результаты своих экспериментов ..
2015-04-09 3975 0 Научные открытия
0
У света обнаружили необычные свойства
Японские, украинские, американские и корейские ученые открыли новые необычные свойства света. Авторы опубликовали исследование в журнале Nature Communications, кратко с ним можно ознакомиться на сайте RIKEN, крупного японского Института физико-химических исследований. Исследуя динамические характеристики эванесцентной волны, ..
2014-04-28 3228 0 Научные открытия
0
Физики продемонстрировали слияние двух черных дыр
Физики смоделировали слияние двух черных дыр и показали соответствующую анимацию. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Технологического института Рочестера. Ученые в своем моделировании показали, каким образом ..
2015-04-11 4623 0 Научные открытия
-1
Крупнейшая научная премия досталась выходцу из России
Крупнейшая в мире научная премия - премия Мильнера или Fundamental Physics Prize (FPP) - досталась сотруднику Принстонского университета Александру Полякову, который является выходцем из России, передает в четверг «Лента.ру». Размер премии составляет 3 млн долларов. Она досталась Полякову за работы в области ..
2013-03-21 2477 1 Научные открытия
0