Физики впервые рассчитали «состав» массы протона

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 9 процентов массы протона, кинетическая энергия кварков — 32 процента, напряженность глюонного поля — 36 процентов, а аномальный вклад — 23 процента. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Практически вся материя Вселенной состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, сложены из верхних (u) и нижних (d) кварков. Протон содержит два верхних и один нижний кварк (uud), нейтрон — один верхний и два нижних (udd). Масса каждого кварка возникает за счет механизма Хиггса — грубо говоря, из-за особой формы потенциала Хиггса электрослабая симметрия спонтанно нарушается, и Вселенная заполняется однородным полем, за которое «цепляются» частицы. Нижние кварки «цепляются» немного сильнее, чем верхние, поэтому их масса больше (пять мегаэлектронвольт против двух). Подробнее про этот механизм можно прочитать в материалах «С днем рождения, БАК!» и «Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии». Тем не менее, если сложить массу двух верхних и одного нижнего кварка, получится всего один процент от «настоящей» массы протона.

Казалось бы, это расхождение можно объяснить с помощью Квантовой механики: кварки внутри протона очень тесно сжаты, следовательно, должны иметь большой импульс из-за принципа неопределенности Гейзенберга (Δx∙Δp ~ ℏ). С другой стороны, частицы с большим импульсом имеют большую кинетическую энергию, которая связана с массой формулой Эйнштейна E = mc2. Подставляя в эту формулу примерный радиус протона r ~ 10−15 метров, можно получить массу около 600 мегаэлектронвольт (при большом импульсе энергия кварков примерно равна E ≈ 3pc ~ 3ℏc/r). Эта величина совпадает по порядку с экспериментально измеренным значением mp ≈ 938 мегаэлектронвольт. К сожалению, такие рассуждения подходят только для качественной оценки, поскольку точно определить радиус протона невозможно. Кроме того, этот подход не позволяет точно выделить вклады в массу протона, связанные с различными квантовыми эффектами — например, с обменом виртуальными кварками или глюонами.

В действительности, более аккуратные феноменологические оценки на основе Стандартной модели и Квантовой хромодинамики (КХД) показывают, что масса протона складывается из четырех различных эффектов. Во-первых, массу дает кварковый конденсат, который состоит из валентных (основных) uud кварков и «морских» кварков — виртуальных кварк-антикварковых пар, которыми частицы постоянно обмениваются между собой. Во-вторых, необходимо учитывать кинетическую энергию кварков и напряженность глюонного поля — это члены, которые качественно можно ухватить с помощью соотношения Гейзенберга. Наконец, еще один аномальный вклад появляется из-за того, что в КХД нужно учитывать аномалии, связанные с остальными четырьмя кварками (s, c, b и t-кварками). Впервые эти четыре вклада качественно выделил в 1995 году Сян-Дун Цзи (Xiang-Dong Ji). К сожалению, КХД устроена таким образом, что ее уравнения нельзя решать пертурбативно, то есть раскладываясь по малому параметру. В частности, становится бесполезным вычисление диаграмм Фейнмана, поскольку диаграммы высоких порядков быстро расходятся. Поэтому долгое время физики не могли количественно оценить величину этих вкладов.

Группа ученых под руководством И-Бо Яна (Yi-Bo Yang) впервые рассчитала значения каждого из четырех вкладов в массу протона. Для этого исследователи численно смоделировали протон с помощью решеточной КХД. В этом подходе непрерывное пространство-время заменяется дискретной решеткой, на которой «живут» кварки и глюоны. Поскольку в расчете используется конечный шаг по времени и пространству, его результат отличаются от истинного; тем не менее, ответ можно скорректировать, если учесть, что его погрешность зависит от шага решетки. Очевидно, что в пределе бесконечно малого шага решеточная и непрерывная КХД совпадают. К сожалению, вычисления в решеточной КХД требуют очень много ресурсов, причем требования растут пропорционально шестой степени от обратного шага решетки. Кроме того, сложность вычислений экспоненциально растет с числом частиц. Поэтому раньше ученые могли смоделировать только отдельные кварки или мезоны (частицы, состоящие из двух кварков). Численные расчеты с участием трех кварков стали возможны только в последнее время, когда заработали современные суперкомпьютеры. В частности, группа Яна использовала для расчетов суперкомпьютер «Титан», имеющий производительность около 27 петафлопс.

В этих расчетах ученые работали с сетками 243×64, 323×64 и 483×96 (первые три числа — число узлов решетки по пространственным координатам, четвертое — по времени). Чтобы скомпенсировать ультрафиолетовые расходимости, физики использовали схему регуляризации M̅S̅ (minimal substraction). В результате исследователи получили, что кварковый конденсат обеспечивает около 9 процентов массы протона, кинетическая энергия кварков — 32 процента, напряженность глюонного поля — 36 процентов, а аномальный вклад — 23 процента. Погрешность вычислений составила около четырех процентов. Ученые отмечают, что их результаты согласуются с феноменологическими предсказаниями для энергии порядка двух гигаэлектронвольт.

В апреле прошлого года группа χQCD впервые рассчитала вклад глюонов в суммарный спин протона — по данным ученых, он составляет примерно половину абсолютной величины. Это была первая статья, в которой решеточную КХД удалось применить для моделирования системы из трех кварков. Тем не менее, физики надеются, что в скором времени удастся рассчитать и другие свойства протона — в июне этого года в Национальной лаборатории Ок-Ридж заработал новый суперкомпьютер Summit, мощность которого составляет более 200 петфлопс. Когда этот компьютер заработает на полную мощность, его производительность будет в 10–15 раз превышать производительность компьютеров, на которых ученые рассчитывали спин и массу протона. Кроме того, в апреле этого года в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) запустили суперкомпьютер «Говорун» мощностью около 0,6 петафлопс, который тоже планируется использовать для вычислений в рамках решеточной КХД.

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
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
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
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
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 ..
2016-02-19 1671 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
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
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
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 1841 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
Японские физики-ядерщики нашли магическое число
Японские ученые утверждают, что нашли новое так званое «магическое число» — ключ к определению, когда ядро атома становиться стабильным. В ядерной физике магические числа — ряд натуральных чётных чисел, соответствующих количеству нуклонов в атомном ядре, при котором ..
2013-10-16 3276 3 Научные открытия
2
Ученые обнаружили мост из тёмной материи
Ученые объявили об обнаружении «моста» из тёмной материи.Астрономы из Мичиганского университета под руководством Йорга Дитриха провели измерения филамента из тёмной материи,который соединяет скопления двух галактик Abell222 и Abell223,которые от нас отстоят на 2.7миллиардов световых лет.Они полностью подтверждают существование тёмной ..
2012-07-6 2269 0 Научные открытия
0
За 2011 год названы самые важные события в науке
В прошлом году в IT, а также научной отрасли произошли запоминающиеся события. Одно из главных событий – смерть Стива Джобса, который основал «яблочную» компанию. Многие считают, что Стив был тем, кто умел сделать разработки своей компании такими привлекательными ..
2012-02-3 1769 0 Научные открытия
0
Учёные открыли структуру молекулярного двигателя
Структуры и функции «молекулярного двигателя», который оказывает решающее значение на правильное функционирование органов человека, были выявлены в беспрецедентных деталях, сообщает «ВордАйти». В случае неисправности «молекулярного двигателя» у человека появляются такие заболевания, как рак, почечная недостаточность и остеопороз. Международная ..
2011-11-3 1816 0 Научные открытия
0
Это уже точно: обнаружены частицы темной материи
Судя по всему, американским исследователям проекта CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) удалось наконец обнаружить частицы темной материи и таким образом экспериментально подтвердить ее существование, теоретически обоснованное и не подвергающееся сомнению уже давно. Впрочем, теперь все только начинается: ..
2013-04-17 2168 0 Научные открытия
0