Физики выяснили, что происходит с протоном на скорости, близкой к скорости света
До сих пор описать структуру протона на высокой скорости у физиков не получалось. Новая теория и суперкомпьютер помогли понять, что будет происходить с этой частицей на скорости, близкой к световой
Более 2000 лет ученые считали, что атом — это самая маленькая возможная частица. Затем они обнаружили, что у него есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженных электронами. После этого они обнаружили, что сами протоны и нейтроны также полны кварков и антикварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, которое переносят глюоны.
Более полувека назад простая кварковая модель, разработанная физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, раскрыла некоторую внутреннюю структуру протона в состоянии покоя. Исходя из этой модели, ученые представили протон состоящим из трех кварков и предсказали его основные свойства, такие как электрический заряд и спин.
Более поздние эксперименты с протонами, разогнанными до околосветовых скоростей, показали, что этот нуклон еще сложнее, чем предполагалось ранее. Например, он содержит огромное количество частиц, которые взаимодействуют друг с другом, а не просто три кварка, связанных глюонами. Глюоны при этом могут ненадолго превратиться в пары кварк-антикварк, а затем возвращаться в исходное состояние.
Примерно через пять лет после того, как простая кварковая модель потрясла сообщество физиков, Ричард Фейнман предложил модель, согласно которой протон, движущийся с околосветовой скоростью, похож на луч, несущий бесконечное количество кварков и глюонов, движущихся в одном и том же направлении. Он назвал эти частицы «партонами». Его модель партона вдохновила физиков на определение набора величин, описывающих трехмерную структуру протона. Затем исследователи могли бы измерить эти величины в экспериментах на ускорителях частиц.
Однако до сих пор теории, описывающие эти частицы, имели одну проблему: в них структура протона не отличалась на разных скоростях, тогда как эксперименты показывали обратное. Авторы новой работы использовали суперкомпьютер, чтобы запустить на нем модель, которая строилась на эффективной теории большого импульса (large-momentum effective theory/LaMET). Физики получили новые, более точные предсказания о структуре протона на высоких скоростях. Теперь они планируют проверить их на коллайдере EIC.
Статья об открытии опубликована в журнале Reviews of Modern Physics.
