(а) КХД-факторизация амплитуды DVCS (глубоко виртуальное комптоновское рассеяние). Вычисляемая пертурбативным способом «жесткая часть» показана в самом низком порядке сильной связи. Непертурбативная «мягкая часть» описывается универсальными кварковыми ГПД.
(b) Одна из КЭД-диаграмм амплитуды процесса Бете-Гейтлера, которая имеет то же конечное состояние, что и DVCS, и интерферирует с ним. Процесс Бете-Гейтлера поддается вычислению, и в качестве входных данных требуются только протонные электромагнитные ФФ.
Кредит: Обзоры современной физики (2023). DOI: 10.1103/RevModPhys.95.041002.

Сила гравитации широко распространена в нашей видимой Вселенной. Это можно увидеть в движении лун, вращающихся вокруг планет; в блуждающих кометах, сбившихся с курса массивными звездами; и в водовороте гигантских галактик. Эти удивительные дисплеи демонстрируют влияние гравитации на самые большие масштабы материи. Теперь физики-ядерщики обнаруживают, что гравитация может многое предложить и на мельчайших масштабах материи.

Новое исследование, проведенное физиками-ядерщиками в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, использует метод, который связывает теории гравитации с взаимодействиями между мельчайшими частицами материи, чтобы выявить новые детали в этом меньшем масштабе. Исследование впервые показало картину распределения сильного взаимодействия внутри протона. На этом снимке подробно показано напряжение сдвига, которое сила может оказывать на кварковые частицы, составляющие протон. Результат был недавно опубликован в журнале Reviews of Modern Physics.

По словам ведущего автора исследования, главного научного сотрудника лаборатории Джефферсона Волкера Буркерта, измерения позволяют лучше понять среду, в которой находятся строительные блоки протона. Протоны состоят из трех кварков, связанных между собой сильным взаимодействием.

«На пике это сила, превышающая четыре тонны, которую нужно было бы приложить к кварку, чтобы вытащить его из протона», — объяснил Буркерт. «Природа, конечно, не позволяет нам отделить от протона хотя бы один кварк из-за свойства кварков, называемого «цвет». Есть три цвета, которые смешивают кварки в протоне, чтобы он казался снаружи бесцветным, что является необходимым условием его существования в космосе.

«Попытка вытащить цветной кварк из протона приведет к образованию бесцветной пары кварк/антикварк, мезона, используя энергию, которую вы вкладываете в попытку отделить кварк, оставив после себя бесцветный протон (или нейтрон). Итак, 4 тонны — иллюстрация силы, присущей протону».

Результатом является лишь второе из измеряемых механических свойств протона. Механические свойства протона включают его внутреннее давление, распределение массы (физический размер), его угловой момент и напряжение сдвига. Такой результат стал возможен благодаря предсказанию полувековой давности и данным двухдесятилетней давности.

В середине 1960-х годов было высказано предположение, что если физики-ядерщики смогут увидеть, как гравитация взаимодействует с субатомными частицами, такими как протон, такие эксперименты смогут напрямую выявить механические свойства протона.

«Но в то время такой возможности не было. Если вы сравните, например, гравитацию с электромагнитной силой, разница составит 39 порядков. Так что это совершенно безнадежно, не так ли?» объяснила Латифа Элуадрири, научный сотрудник лаборатории Джефферсона и соавтор исследования.

Данные десятилетней давности были получены в результате экспериментов, проведенных с помощью Ускорителя непрерывного электронного пучка (CEBAF) лаборатории Джефферсона, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США. Типичный эксперимент CEBAF предполагает взаимодействие энергичного электрона с другой частицей путем обмена с частицей пакетом энергии и единицей углового момента, называемой виртуальным фотоном. Энергия электрона определяет, с какими частицами он взаимодействует таким образом и как они реагируют.

В эксперименте к протону была приложена сила, намного превышающая четыре тонны, необходимые для выдергивания пары кварк/антикварк, с помощью высокоэнергетического электронного луча, взаимодействующего с протоном в мишени из сжиженного газообразного водорода.

«Мы разработали программу для изучения глубоко виртуального комптоновского рассеяния. Это когда у вас есть электрон, обменивающийся виртуальным фотоном с протоном. И в конечном состоянии протон остается прежним, но откатывается, и у вас есть один настоящий очень высокоэнергетический фотон плюс рассеянный электрон», — сказал Элуадрири. «В то время, когда мы собирали данные, мы не знали, что помимо трехмерного изображения, которое мы планировали с помощью этих данных, мы также собирали данные, необходимые для получения доступа к механическим свойствам протона».

Оказывается, этот конкретный процесс — глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS) — может быть связан с тем, как гравитация взаимодействует с материей. Общая версия этой связи была изложена в учебнике 1973 года по общей теории относительности Эйнштейна под названием «Гравитация» Чарльза В. Миснера, Кипа С. Торна и Джона Арчибальда Уиллера.

В нем они писали: «Любое безмассовое поле со спином 2 породило бы силу, неотличимую от гравитации, потому что безмассовое поле со спином 2 могло бы связываться с тензором энергии-импульса таким же образом, как гравитационные взаимодействия."

Три десятилетия спустя теоретик Максим Поляков развил эту идею, создав теоретическую основу, связывающую процесс DVCS и гравитационное взаимодействие.

«Этот прорыв в теории установил связь между измерением глубоко виртуального комптоновского рассеяния и гравитационным форм-фактором. И мы смогли использовать это впервые и извлечь давление, которое мы сделали в статье Nature в 2018 году, а теперь нормальная сила и поперечная сила», — объяснил Буркерт.

Более подробное описание связи процесса DVCS с гравитационным взаимодействием можно найти в статье, описывающей первый результат, полученный в результате этого исследования.

Исследователи говорят, что их следующим шагом будет работа над извлечением необходимой информации из существующих данных DVCS, чтобы можно было впервые определить механический размер протона. Они также надеются воспользоваться преимуществами новых экспериментов с более высокой статистикой и более высокой энергией, которые продолжают исследования DVCS в протонах.

Тем временем соавторы исследования были поражены множеством новых теоретических усилий, подробно описанных в сотнях теоретических публикаций, которые начали использовать этот недавно открытый путь для изучения механических свойств протона.

«А также, теперь, когда мы вступили в новую эру открытий, недавно был опубликован Долгосрочный план ядерной науки на 2023 год. Это станет основной опорой направления науки с новыми установками и новыми разработками детекторов. Мы с нетерпением ждем будущего». чтобы увидеть больше того, что можно сделать», — сказал Буркерт.

Элуадрири соглашается.

«И, на мой взгляд, это только начало чего-то гораздо большего. Это уже изменило наше представление о структуре протона», — сказала она.

«Теперь мы можем выразить структуру субъядерных частиц через силы, давление и физические размеры, которые понятны даже нефизикам», — добавил Буркерт.