Внутреннее устройство протонов оказалось более квантовым, чем считалось до сих пор — об этом открытии физики сообщили в журнале Physical Review Letters.
Ученым давно известно, что протоны состоят из более мелких частиц — кварков и глюонов. Но детали их поведения и распределения внутри протона долгое время оставались неуловимыми. А это важно: правильное понимание внутренней структуры протона прямо влияет на интерпретацию экспериментов с его столкновениями, которые проводятся для поиска новых частиц или раскрытия тайн фундаментальных взаимодействий.
На сегодняшний день главным математическим инструментом для изучения внутреннего устройства протона служит партонная модель. С ее помощью рассчитывают вероятностную плотность распределения частиц внутри протона и предсказывают, каким будет его состав в экспериментах на ускорителях.
«Партонная модель невероятно эффективна — это основной источник всех наших знаний о внутренней структуре протона. Но если взглянуть на нее с точки зрения современного состояния физики, видно, что лежащая в ее основе картина довольно классическая. Это, разумеется, заблуждение, поскольку мы знаем, что квантовая механика существует», — говорит физик Алексей Владимиров из Мадридского университета Комплутенсе, ведущий автор исследования.
По его словам, физики-теоретики предсказывали и искали квантовые эффекты внутри протонов еще с 1980-х годов, но разные эксперименты приводили к неоднозначным, а порой и противоречивым выводам.
«Мешок с частицами» оказался не так прост
В новом исследовании Владимиров и его коллеги сосредоточились на одном из ярких квантовых эффектов — интерференции кварков и глюонов в протоне. Квантовые частицы обладают волновой природой, а интерференция означает, что две квантовые волны материи накладываются друг на друга, усиливаясь в одних областях и гася друг друга в других. Математически это выглядит так: если в классическом случае две вероятности просто складываются, то при наличии интерференции их комбинация порождает больше математических членов, чем простая сумма.
Исследователи разработали метод, позволяющий извлечь математические признаки квантовой интерференции из объединенного анализа более десятка самых разных наборов данных, собранных в ЦЕРНе, немецком национальном центре DESY и на других ускорителях. «Все предыдущие попытки не увенчались успехом, потому что исследователи пытались анализировать лишь какой-то один источник [данных]», — объясняет Владимиров.
Объединение всей информации в единую картину стало серьезной технической задачей — но оно с лихвой окупилось благодаря новой ясности. Ученые смогли идентифицировать конкретные случаи квантовой интерференции внутри протона, например, когда глюон интерферирует с комбинацией кварка и антикварка.
По мнению Владимирова, это открытие — напоминание физикам о необходимости более пристального внимания к квантовой природе протона.
«Протон принято считать почти классическим мешком с частицами. Мы показываем обратное — а значит, он гораздо более квантовый, чем принято думать», — резюмирует он.
Это первый масштабный анализ такого рода, доведенный до конца, и он должен стимулировать новые эксперименты, считает профессор Владимир Браун из Регенсбургского университета. Например, будущие исследования на таких установках, как ускоритель электронов в лаборатории Джефферсона могли бы выявить дополнительные признаки квантовой интерференции и связать их с другими эффектами, возникающими при столкновении частиц на высоких скоростях.
Сам Браун никогда не сомневался в квантовой природе протона, но детали интерференционных эффектов, описанные в новой работе, его удивили. «Я занимаюсь этой физикой уже 40 лет, и я ожидал, что основные эффекты проявятся совсем в другой области», — признается профессор.
Что дальше
В дальнейшем команда планирует расширить свой набор данных и анализ, чтобы повысить достоверность выводов (они пока на уровне 2–3 сигма). Остается и большой вопрос о том, как интерпретировать полученные результаты и воссоздать более полную картину внутреннего устройства протона. Например, интерференционный эффект связан с квантово-механическим спином кварков и глюонов, который до сих пор не был ни полностью понят, ни измерен с высокой точностью.
В конечном счете, такие исследования — это путь к пониманию сильного взаимодействия, одной из базовых основ мироздания.