Протон состоит из трех кварков — но только пока он неподвижен. Если же протон пролетает мимо нас на околосветовой скорости, его состав кардинально меняется и может включать, среди прочего, и небольшую долю тяжелых «очарованных» кварков. Эта идея была высказана почти полвека назад, но до сих пор ее справедливость не удавалось подтвердить в эксперименте. Недавно коллаборация NNPDF, проанализировав результаты нескольких тысяч измерений и обновив свое описание устройства протона, впервые получила четкое указание на то, что очарованные кварки и антикварки действительно присутствуют в протоне.
Квантовый мир и так полон удивительных явлений, которые не вписываются в рамки повседневной интуиции, но, когда квантовые частицы еще и движутся с околосветовыми скоростями, появляются новые сюрпризы.
Вот простой, казалось бы, вопрос: из чего состоит протон? Оказывается, ответ зависит от того, из какой системы отсчета мы этот протон наблюдаем. Если он неподвижен или движется медленно, то годится школьный ответ: протон состоит из трех кварков [uud], скрепленных сильным взаимодействием, этаким коконом из глюонного силового поля. Но если протон пролетает мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, то в нем, помимо трех исходных кварков (их называют «валентными»), присутствует большое количество дополнительных (на физическом жаргоне — «морских») кварков и антикварков, а также глюонов. Все эти частицы коллективно называются партонами; они летят вместе с валентными кварками и несут в себе существенную долю энергии и импульса всего протона. Именно эти взаимопроникающие и взаимодействующие облака из всевозможных партонов и представляет собой то, что мы воспринимаем как цельный протон (рис. 1).
Как такое, в принципе, может быть? Откуда берется эта толпа частиц, которых не было в неподвижном протоне? Ответ в том, что эти объекты, на самом деле, были и в неподвижном протоне, просто они выглядели не как полноправные частицы, а как квантовые флуктуации силового поля, скрепляющего три кварка. Если же протон пролетает на околосветовой скорости, характеристики этих флуктуаций меняются, и они становятся практически реальными частицами, населяющими протон. Подробнее об этих удивительных метаморфозах протона можно прочитать в популярной статье Многоликий протон, а также в недавней новости Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона («Элементы», 01.03.2021).
Из этого наблюдения вытекают новые вопросы, которые выводят нас на передней край физики элементарных частиц. Из каких именно кварков и антикварков и в каких пропорциях состоит протон? Можно ли этот сложный состав вычислить теоретически и проверить экспериментально?
Теоретически вычислить точный состав быстро летящего протона пока не представляется возможным — по крайней мере, на сегодняшний день. Но это вовсе не означает, что все пропало. Состав протона можно исследовать экспериментально, сталкивая эти самые протоны друг с другом или с иными частицами. Для этого физики параметризуют (то есть пытаются угадать) распределение кварков, антикварков и глюонов внутри протона, а затем на основе этой параметризации вычисляют вероятности тех или иных процессов, которые могут произойти в столкновении протонов большой энергии. Результаты вычислений сравнивают с измерениями, и физики пытаются подобрать такую параметризацию партонных распределений, чтобы результат вычислений как можно точнее совпадал с экспериментами.
Одним словом, определить состав протона трудно именно потому, что «рецепт» его устройства приходится выцарапывать у природы вот таким косвенным способом.
Изучение структуры быстро летящего протона ведется уже более полувека. Новые коллайдеры приходят на смену старым и приносят новые данные, которые охватывают все больший диапазон энергий столкновений и импульсов рожденных частиц. Тщательные измерения дифференциальных сечений десятков и сотен разных процессов позволяет все точнее угадывать долю тех или иных партонов внутри протона и их распределение по доли протонного импульса, которую они несут. В процессе этого исследования разрешаются некоторые давние загадки или возникают новые.
Например, вот уже несколько десятилетий физики изучают, как из свойств партонов возникает спин протона (см. Так из чего всё-таки складывается спин протона?, «Элементы», 24.09.2013). Также, в прошлом году мы рассказывали о том, как физики пытаются разобраться, каких антикварков в протоне больше — анти-u или анти-d. И вот сейчас, в середине августа, в журнале Nature появилась статья теоретиков, которая приподнимает еще одну завесу тайны в устройстве протона, над которой физики бились свыше 40 лет.
Читать далее в источнике
