Физики-ядерщики подтвердили, что нынешнее описание структуры протона не очень гладкое. Новое точное измерение электрической поляризуемости протона, проведенное в Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, выявило скачок данных, полученных в ходе исследований структуры протона.
Исследование было опубликовано в журнале Nature. Над ним трудилась большая команда из США, Канады, Италии, Армении и Индии под руководством Николаса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл.
Ранние измерения убедили ученых в том, что это случайность, но новые, более точные данные подтвердили наличие аномалии, поднимая вопрос о ее происхождении.
По словам Руонана Ли, первого автора статьи и аспиранта Университета Темпл, измерения электрической поляризуемости протона показывают, насколько протон подвержен деформации или растяжению в электрическом поле. Подобно размеру или заряду, электрическая поляризуемость является фундаментальным свойством структуры протона.
Более того, точное определение электрической поляризуемости протона может помочь связать его различные описания. В зависимости от того, как его исследовать, протон может выглядеть как непрозрачная одиночная частица или как составная частица, состоящая из трех кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием.
«Мы хотим понять субструктуру протона. И мы можем представить ее как модель с тремя сбалансированными кварками», — объяснил Ли. «Теперь поместите протон в электрическое поле. Кварки имеют положительный или отрицательный заряд. Они будут двигаться в противоположных направлениях. Таким образом, электрическая поляризуемость показывает, насколько легко протон будет искажен электрическим полем».
Чтобы исследовать это искажение, физики-ядерщики использовали процесс, называемый виртуальным комптоновским рассеянием, обстреливая электронами «мишень» из жидкого водорода.
Ученые направляли пучок электронов энергией в 4,56 ГэВ в «мишень» из жидкого водорода толщиной в 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергию и импульс рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью эксперимента стало то, что измерения были проведены вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемость более выражена. Кроме того, физики сосредоточились на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.
При виртуальном комптоновском рассеянии электроны взаимодействуют с другими частицами, испуская энергичный фотон. Энергия электрона определяет энергию излучаемого им фотона, которая также определяет, как фотон взаимодействует с другими частицами.
Фотоны с меньшей энергией могут отражаться от поверхности протона, в то время как фотоны с большей энергией будут врезаться внутрь протона, взаимодействуя с одним из кварков. Теория гласит, что когда эти взаимодействия фотонов и кварков наносятся на график от более низких энергий к более высоким, то образуют плавную кривую.
Николас Спарверис же, адъюнкт-профессор физики Университета Темпл и представитель эксперимента, заявил, что эта простая картина не выдерживает критики; и что измерения выявили пока необъяснимую выпуклость.
«Мы видим, что существует некоторое локальное повышение величины поляризуемости. Поляризуемость уменьшается по мере увеличения энергии, как и ожидалось. И в какой-то момент кажется, что она снова возрастает, прежде чем уменьшиться», — сказал он. «Основываясь на нашем текущем теоретическом понимании, поляризуемость должна вести себя очень просто. Мы видим что-то, что отклоняется от такого простого поведения. И это то, что нас озадачивает».
Теория гласит, что более энергичные электроны более непосредственно «исследуют» сильное взаимодействие, поскольку оно связывает кварки вместе, образуя протон. Этот странный всплеск жесткости, подтвержденный физиками-ядерщиками в кварках протона, сигнализирует о том, что может действовать неизвестное проявление сильного взаимодействия.
«Есть кое-что, что мы явно упускаем на данный момент. Протон — единственный стабильный составной строительный блок в природе. Посему, если мы упускаем из виду что-то фундаментальное, то последствия касаются всей физики», — говорит Спарверис.
Ученые заявили, что следующим шагом будет дальнейшее выяснение деталей этой аномалии и проведение высокоточного исследования для проверки других точек отклонения и предоставления дополнительной информации об источнике аномалии.
«Мы хотим измерить больше точек при различных энергиях, чтобы представить более четкую картину и увидеть, есть ли там ещё какая-либо структура», — сказал Ли.
Спарверис согласился. «Нам также необходимо точно измерить форму роста величины поляризуемости. Форма важна для дальнейшего прояснения теории», — сказал он.
Источники :
Исследование : Nikolaos Sparveris, Measured proton electromagnetic structure deviates from theoretical predictions, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1. www.nature.com/articles/s41586-022-05248-1
