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 2572 3 Научные открытия
3
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 2071 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 2041 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 2087 0 Научные открытия
0
Лазер делает ядерную бомбу доступной
Ученые обеспокоены тем, что бывший сверхсекретный метод обогащения урана, «обнародованный» на коммерческом рынке, создаст новые возможности для производства и распространения ядерного оружия. Компания General Electric успешно завершила испытания более быстрого и дешевого способа производства ядерного топлива. ..
2011-11-30 1753 0 Научные открытия
0
Еще один шаг к тайнам нуклонов
Силы, действующие внутри атомных ядер, вызывают у физиков исключительный интерес. Новые эксперименты в области промежуточных энергий позволяют сделать еще один шаг к пониманию свойств сильного взаимодействия. Чтобы понять природу сильного взаимодействия в деталях, исследователи проводят сложные эксперименты, ..
2013-12-2 1686 3 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 1929 0 Научные открытия
0
Внутри протона
Завершено 23-летнее исследование адронной частицы Коллаборации HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) из крупнейшего в Германии центра физики элементарных частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) завершили 23-летние исследования внутренней структуры и свойств протона. О результатах своей работы ученые ..
2015-07-12 7574 0 Научные открытия
-1
Темной материи нет? Свидетельство Андромеды
Астроном доктор Хонгшенг Чжао (Hongsheng Zhao) из Университета Сент-Эндрюс полагает, что 10 млрд. лет назад Млечный Путь столкнулся с Галактикой Андромеды, и что наши представления о гравитации в корне неверны. На протяжении многих лет ученые полагали, что наша галактика, Млечный Путь, примерно ..
2013-07-9 2527 0 Научные открытия
0
Ученые смогли трансформировать искусственную клетку
Это большая мечта в области науки: начать с нуля, с простых искусственных микроскопических блоков и в конечном итоге закончить чем-то гораздо более сложным: живыми системами, новыми компьютерами или разнообразными материалами. На протяжении десятилетий ученые мечтали создать искусственные ..
2014-02-06 1473 0 Научные открытия
-1
Моделирование: ядерное оружие в молекулярных деталях
Американские исследователи совершенствуют моделирования, показывающие производительность ядерного оружия в точных молекулярных деталях — инструменты, которые становятся критически важными для национальной обороны, так как международные договоры запрещают испытания ядерного оружия, сообщает «PC-News.info». «Расчёты должны работать на суперкомпьютерах, ..
2012-06-7 1390 0 Научные открытия
0
Бозон Хиггса: русские мозги отлично поработали на Запад
Одновременно две группы физиков с разницей буквально в несколько часов объявили об открытии бозона Хиггса. Это последняя элементарная частица, которая были нужна физикам для объяснения устройства мира, и которую не могли открыть более полувека.Наибольший ажиотаж вызвала транслировавшая в Объединенный ..
2012-07-5 1354 0 Научные открытия
0
Индийский физик опроверг существование черных дыр
Британский физик Стивен Хокинг противоречит своей собственной теории, заявляя, что черных дыр на самом деле не существует. Это поразило мировую общественность. Но Абхаз Митра, физик-теоретик из Центра атомных исследований имени Хоми Баба в Мумбаи, вовсе не удивлен. «Я говорил об этом ..
2014-02-07 3986 6 Научные открытия
0
Трудности с Наукой: о лабораторном модуле
Противоречивая информация поступает из разных источников относительно сроков запуска многоцелевого лабораторного модуля «Наука», который должен пополнить состав Международной космической станции (МКС), сообщает «The_Anonymous». По одним данным из открытых источников, этот космический аппарат должен ..
2012-04-24 1840 0 Научные открытия
0
Учёные совершили невероятный прорыв в исследовании ДНК
Учёными разработан новый перспективный метод, продвигающий персонализированную медицину, сообщает «LightNews». Совсем недавно учёный Йохан Хоффманн, доктор Гюнтер Рот и профессор Роланд Ценгерле из «Department of Microsystems Engineering» (IMTEK) при «Университете Фрайбурга» (University of Freiburg) смогли одновременно скопировать ..
2012-08-11 1846 0 Научные открытия
0