Впервые кварки и глюоны были использованы для описания свойств атомных ядер, которые до сих пор объяснялись существованием протонов и нейтронов. Временная пара коррелирующих нуклонов выделена фиолетовым цветом. Фото: IFJ PAN.

До сих пор существовало два параллельных описания атомных ядер: одно на основе протонов и нейтронов, которые мы можем видеть при низких энергиях, а другое, для высоких энергий, на основе кварков и глюонов. В дан6ной работе физикам удалось вывести эти два до сих пор разделенных мира вместе. Этот давний тупик был преодолен только сейчас в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Ее основными авторами являются ученые международной коллаборации nCTEQ по кварк-глюонным распределениям, в том числе из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.

Результаты столкновений атомных ядер с электронами достаточно хорошо воспроизводятся с использованием моделей, предполагающих существование только нуклонов для описания низкоэнергетических столкновений и только партонов для высокоэнергетических столкновений. Однако до сих пор эти два описания не удалось объединить в целостную картину. В своей работе физики из IFJ PAN использовали данные о столкновениях высоких энергий, в том числе собранные на ускорителе БАК в лаборатории ЦЕРН в Женеве. Основная цель заключалась в изучении партонной структуры атомных ядер при высоких энергиях, которая в настоящее время описывается партонными функциями распределения (PDF).

Эти функции используются для отображения того, как кварки и глюоны распределяются внутри протонов и нейтронов, а также по всему атомному ядру. С помощью функций PDF для атомного ядра можно определить экспериментально измеримые параметры, такие как вероятность создания конкретной частицы при столкновении электрона или протона с ядром.

С теоретической точки зрения суть нововведения заключалась в умелом расширении функций распределения партонов, вдохновленных теми ядерными моделями, которые использовались для описания низкоэнергетических столкновений, где предполагалось, что протоны и нейтроны объединяются в сильно взаимодействующие пары нуклонов: протон-нейтрон, протон-протон и нейтрон-нейтрон.

Новый подход позволил учёным определить для 18 исследованных атомных ядер функции распределения партонов в атомных ядрах, распределения партонов в коррелированных парах нуклонов и даже количество таких коррелированных пар.

Результаты подтвердили наблюдение, известное из экспериментов с низкими энергиями, о том, что большинство коррелирующих пар представляют собой пары протон-нейтрон (этот результат особенно интересен для тяжелых ядер, например, золота или свинца). Еще одним преимуществом подхода, предложенного в данной статье, является то, что он обеспечивает лучшее описание экспериментальных данных, чем традиционные методы, используемые для определения партонных распределений в атомных ядрах.

Согласие теоретических предсказаний с экспериментальными данными означает, что с использованием партонной модели и данных из области высоких энергий впервые удалось воспроизвести поведение атомных ядер, объясняемое до сих пор исключительно нуклонным описанием и данными низких энергий. Результаты описанных исследований открывают новые перспективы для лучшего понимания структуры атомного ядра, объединяя его высоко- и низкоэнергетические аспекты.