Эксперимент выявляет радиус массы протона при сильном взаимодействии
Физики-ядерщики, возможно, наконец определили, где в протоне находится большая часть его массы. Недавний эксперимент, проведенный в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, выявил радиус массы протона, который создается сильным взаимодействием кварков. Результат был недавно опубликован в Nature.
Радиус массы протона меньше радиуса электрического заряда (плотное ядро), а облако скалярной глюонной активности простирается за радиус заряда. Это открытие может пролить свет на удержание и распределение массы в протоне.
Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.
Одной из самых больших загадок протона является происхождение его массы. Оказывается, измеренная масса протона определяется не только его физическими строительными блоками, тремя так называемыми валентными кварками.
«Если вы суммируете массы кварков в протоне в Стандартной модели, вы получите лишь небольшую часть массы протона», — объяснил представитель эксперимента Сильвестр Джустен, физик-экспериментатор из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
За последние несколько десятилетий физики-ядерщики предположили, что масса протона возникает из нескольких источников. Во-первых, часть массы он получает от массы своих кварков, а часть — за счет их движения. Затем он получает массу от энергии сильного взаимодействия , которое склеивает эти кварки вместе, и это взаимодействие проявляется как «глюоны». Наконец, он получает массу от динамических взаимодействий кварков и глюонов протона.
Это новое измерение могло, наконец, пролить некоторый свет на массу, создаваемую глюонами протона, путем точного определения местоположения материи, создаваемой этими глюонами. Было обнаружено, что радиус этого ядра материи находится в центре протона. Результат также, по-видимому, указывает на то, что это ядро имеет размер, отличный от хорошо измеренного радиуса заряда протона, величина, которая часто используется в качестве косвенного показателя размера протона.
«Радиус этой массовой структуры меньше, чем радиус заряда, и поэтому он как бы дает нам представление об иерархии массы по сравнению с зарядовой структурой нуклона», — сказал соавтор эксперимента Марк Джонс, представитель лаборатории Jefferson Lab Halls A&C. лидер.
По словам представителя эксперимента Зейна-Эддина Мезиани, научного сотрудника Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, этот результат стал неожиданностью.
«То, что мы обнаружили, — это то, чего мы действительно не ожидали получить таким образом. Первоначальной целью этого эксперимента был поиск пентакварка, о котором сообщили исследователи из CERN», — сказал Мезиани.
Эксперимент проводился в экспериментальном зале C в Ускорителе непрерывного электронного луча Лаборатории Джефферсона, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. В эксперименте электроны с энергией 10,6 ГэВ (миллиард электрон-вольт) от ускорителя CEBAF были отправлены в небольшой блок меди. Электроны замедлялись или отклонялись блоком, заставляя их испускать тормозное излучение в виде фотонов. Затем этот пучок фотонов ударил по протонам внутри мишени из жидкого водорода. Детекторы измеряли остатки этих взаимодействий в виде электронов и позитронов.
Экспериментаторов интересовали те взаимодействия, которые производят частицы J/Ψ между ядрами протонов водорода. J/Ψ — это короткоживущий мезон, состоящий из очарованных/антиочаровательных кварков. После образования он быстро распадается на пару электрон/позитрон.
Из миллиардов взаимодействий экспериментаторы обнаружили около 2000 частиц J/Ψ в своих измерениях поперечного сечения этих взаимодействий, подтвердив совпадение электронно-позитронных пар.
«Это похоже на то, что мы делали все это время. Делая упругое рассеяние электрона на протоне, мы получали распределение заряда протона», — сказал Джонс. «В этом случае мы сделали эксклюзивное фотопроизводство J/Ψ от протона и получили распределение глюонов вместо распределения заряда».
Затем сотрудники смогли вставить эти измерения поперечного сечения в теоретические модели, описывающие глюонные гравитационные форм-факторы протона. Глюонные формфакторы детализируют механические характеристики протона, такие как его масса и давление.
«Были две величины, известные как гравитационные форм-факторы, которые мы смогли извлечь, потому что у нас был доступ к этим двум моделям: обобщенная модель партонных распределений и модель голографической квантовой хромодинамики (КХД). И мы сравнили результаты из каждая из этих моделей с расчетами КХД на решетке», — добавил Мезиани.
Из двух различных комбинаций этих величин экспериментаторы определили вышеупомянутый радиус глюонной массы, в котором преобладают гравитоноподобные глюоны, а также больший радиус притягивающих скалярных глюонов, которые выходят за пределы движущихся кварков и ограничивают их.
«Одним из наиболее загадочных результатов нашего эксперимента является то, что в одном из подходов к теоретической модели наши данные намекают на скалярное распределение глюонов, которое выходит далеко за пределы электромагнитного радиуса протона», — сказал Джустен. «Чтобы полностью понять эти новые наблюдения и их влияние на наше понимание удержания, нам потребуется новое поколение высокоточных экспериментов J/Ψ».
Одной из возможностей для дальнейшего изучения этого заманчивого нового результата является экспериментальная программа Solenoidal Large Intensity Device под названием SoLID. Программа SoLID все еще находится на стадии предложения. Если будет одобрено продвижение вперед, эксперименты, проведенные с аппаратом SoLID, позволят по-новому взглянуть на физику J/Ψ.
«Следующим важным шагом является измерение производства J/Ψ с помощью детектора SoLID. Он действительно сможет проводить высокоточные измерения в этой области. Одним из основных столпов этой программы является производство J/Ψ, наряду с поперечным импульсом, измерения распределения и измерения глубоконеупругого рассеяния с нарушением четности», — сказал Джонс.
Джонс, Йостен и Мезиани представляют экспериментальное сотрудничество, в которое входят более 50 физиков-ядерщиков из 10 институтов. Представители также хотели бы отметить Бурку Дюрана, ведущего автора и научного сотрудника Университета Теннесси в Ноксвилле. Дюран описала этот эксперимент в своей докторской диссертации, защитила диссертацию в качестве аспиранта в Университете Темпл, и она была движущей силой анализа данных.
Коллаборация провела эксперимент в течение примерно 30 дней с февраля по март 2019 года. Они согласны с тем, что этот новый результат интригует, и говорят, что все они с нетерпением ждут будущих результатов, которые прольют дополнительный свет на проблески новой физики.
«Суть для меня в том, что сейчас волнение. Можем ли мы найти способ подтвердить то, что мы видим? Приживется ли эта новая информация о изображении?» — сказал Мезиани. «Но для меня это действительно очень интересно. Потому что, если я сейчас подумаю о протоне, у нас сейчас больше информации о нем, чем когда-либо прежде».
