Тема:

Физика элементарных частиц 23 суток назад

Физики впервые измерили давление внутри элементарной частицы

Давление в протоне больше, чем внутри нейтронной звезды.
Иллюстрация Jefferson Lab.

Учёные впервые экспериментально измерили давление внутри протона. Это первое исследование такого рода, проведённое с элементарной частицей. О достижении сообщает научная статья, опубликованная в журнале Nature командой во главе с Фолкером Буркертом (Volker Burkert) из Лаборатории Джефферсона в США.

Как известно, протон состоит из кварков. Последние частицы не могут существовать в свободном виде. Они всегда образуют определённые комбинации, одной из которых и является протон. Это явление известно под названием конфайнмент.

Конфайнмент давно интересует физиков, поскольку это свойство в буквальном смысле обеспечивает стабильность всего вещества во Вселенной, не позволяя тому же протону распадаться на отдельные кварки. Однако заглянуть внутрь элементарной частицы и увидеть, что там делается, – задача не из лёгких.

В определённом смысле её решают современные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер. Разгоняя протоны и сталкивая их друг с другом, учёные следят, какие при этом возникают частицы. Это позволяет им делать выводы об устройстве элементарных частиц вообще и протона в частности.

Но этот метод имеет свои ограничения. Например, он не позволяет выяснить механические свойства протона: распределение давления, механического напряжения и так далее.

Есть, впрочем, ещё один инструмент. Но до недавнего времени он считался гипотетическим. Всякая материя во Вселенной подвержена гравитационному притяжению. Будь оно достаточно сильным, некоторые аспекты строения протона можно было бы выяснить, наблюдая, как он поглощает гравитоны (гипотетические частицы, переносящие гравитационное взаимодействие). В частности, можно было бы измерить и давление.

Увы, масса отдельного протона так мала, что в обозримом будущем нет никакой надежды измерить действующую на него гравитационную силу. Однако физики нашли неожиданный выход из положения.

Как поясняется в пресс-релизе исследования, в одной из предшествующих работ было показано, что при определённых условиях существует аналог "сканированию" с помощью гравитонов. Речь идёт о процессе, который называется глубоким виртуальным комптоновским рассеянием.

При этом электрон проникает в протон и отдаёт кварку виртуальный фотон. Через некоторое время кварк возвращает полученную энергию, излучая новый виртуальный фотон.

Каждый фотон имеет спин, равный 1. В данном случае пара виртуальных фотонов эквивалентна гравитону, спин которого равен 2.

Это позволило учёным, "обстреливая" протон электронами, выяснить давление внутри частицы. Оказалось, что в радиусе 0,6 фемтометра от центра протона давление достигает 1035 паскалей. К слову, это примерно в десять раз больше давления, которое, как считается, царит в центре нейтронной звезды. А ведь это самые плотные из известных нам природных объектов. Не считая, конечно, чёрных дыр. Но в их случае вообще трудно говорить об определённой плотности: согласно уравнениям, она обращается в бесконечность.

Сила, создающая давление в центре протона, направлена к периферии и, условно говоря, не даёт кваркам слипаться. Ближе к "поверхности" направление силы меняется: здесь это притяжение, удерживающее кварки в протоне. Давление в этой области гораздо меньше.

"Мы предоставляем способ визуализации величины и распределения сил сильного взаимодействия внутри протона. Это открывает совершенно новое направление в ядерной физике и физике частиц, которое можно исследовать в будущем", – резюмирует Буркерт.

В ближайших планах учёных определить другие механические характеристики протона, такие как напряжение сдвига.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали об открытии частиц, состоящих из пяти кварков и частиц из четырёх кварков с разными ароматами.

Сегодня