«Фотографируя» протон

Пятница, 31 мая 2019

В последнее время вышло несколько новых экспериментальных работ, посвященных исследованиям структуры и свойств протона. Так эксперимент BESIII с высокой точностью измерил формфактор этой частицы в области промежуточных энергий, а ученые из Лаборатории им. Томаса Джефферсона (США) определили с высокой точностью слабый заряд протона. Исследованием протона занимаются и физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

В начале ХХ века английский физик Эрнест Резерфорд, облучая тонкие фольги альфа-частицами, установил, что вещество в атоме распределено неравномерно. Весь положительный заряд электрически нейтральных атомов сосредоточен в малой области – в атомном ядре. Открытие Резерфордом же ядерных превращений (ядерных реакций) утвердило физиков в мысли, что ядра – это составные объекты. Одна составляющая, легчайшее из ядер – ядро атома водорода (протон, др.-греч. πρῶτος — первый, основной) была более-менее очевидна. Вторая оставалось некоторое время неизвестной, до того момента, когда в 30-х годах прошлого века Джеймс Чедвик (ученик Э. Резерфорда) открыл нейтрон – нейтральный партнер протона. С момента открытия и по сегодняшний день изучение свойств этих важнейших для нас частиц (ведь подавляющая часть массы видимой материи заключена в них) находится в центре внимания физиков всего мира.

Опыты по рассеянию частиц на протонах долгое время указывали на то, что это точечная частица, до того момента, как в 50-х годах Роберт Хофштадтер, проводя эксперименты по рассеянию электронов на протонах, показал что протон – частица протяженная, имеющая некоторое пространственное распределение заряда. Структура протона (при энергиях вплоть до нескольких гигаэлектронвольт) описывается при помощи двух функций – электрического и магнитного форм-факторов: GE(q2) и GM(q2). Эти функции определяют, как протоны взаимодействуют с фотонами – квантами электромагнитного излучения (q – это импульс фотона). Фактически они отражают распределение заряда в протоне, и следовательно, точные измерения GE(q2) и GM(q2) позволяют узнать, как выглядит протон, «сфотографировать» его.

Примером такого «фотографирования» протона может служить новая работа международного эксперимента BESIII, проводящегося в Китае (среди участников эксперимента есть и представитель НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ). В своей работе экспериментаторы использовали тот факт, что процесс рассеяния электрона на протоне напрямую связан с процессом рождения пары протон-антипротон в аннигиляции электрона и позитрона, которые должны быть разогнаны до энергий порядка нескольких ГэВ. Действительно, фейнмановские диаграммы, описывающие эти два процесса, эквивалентны с точностью до поворота (см. рисунок 1), а значит их можно рассматривать как различные каналы протекания одной и той же реакции (так называемая кроссинг-симметрия, при которой в формулах переставляются только кинематические попеременные). Физики BESIII смогли измерить сечение процесса (его вероятность) при разных энергиях взаимодействующих частиц, измерить GE и GM с беспрецедентной точностью в доступном им диапазоне энергий реакции (см. рисунок 2).

Что же будет, если увеличивать энергию электронов, а значит импульс фотонов, которыми экспериментаторы сканируют протон? Оказывается, тогда можно будет увидеть составные части протона – кварки! На рисунке 3 показана обложка майского номера научно-популярного журнала «CERN Courier», в котором вышла большая статья, посвященная перспективам исследований протона. При увеличении энергии электронов, которыми бомбардируются протоны, в структуре протонов начинают проявляться три рассеивающих центра – валентные кварки, т.е. рассеяние идет на них, а не на протоне как на целом (так называемое глубоко-неупругое рассеяние, ГНР). Если еще больше увеличить энергию электронов, то число рассеивающих центров будет расти, так как свой вклад начнут давать так называемые морские кварки – пары частица-античастица, рождающиеся в протоне на очень короткое время. Их распределение описывается структурными функциями F1(x,q2) и F2(x,q2), где x – это доля импульса протона, которую несёт кварк. При переходе от ГНР к упругому взаимодействию электронов с протонами структурные функции плавно переходят в форм-факторы, т.е. электрон видит не отдельную часть протона, а взаимодействует с разными его частями (см. формулы на рисунке 4).

Когда с протоном взаимодействует электрон, то переносчиком взаимодействия является фотон. А можно ли «сфотографировать» протон, используя переносчики других взаимодействий? Да, можно! Именно этим занимаются физики, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК). В столкновениях протонов на БАК фактически происходит взаимодействие составных частей протонов – кварков и глюонов (частиц переносчиков сильного взаимодействия). В отличии от фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюоны могут взаимодействовать друг с другом, что усложняет наблюдаемую картину. Исследуя такие соударения, физики могут уточнить структурные функции протона. Впрочем, на БАК можно и «фотографировать» частицы, исследуя ультрапериферические взаимодействия (см. заметку «Эксперимент ALICE измерил рождение чармония в ультрапериферических столкновениях ядер свинца»).

Другой частицей для исследования протонов может являться нейтрино, участвующее только в слабом взаимодействии, частицами-переносчиками которого являются тяжелые бозоны W± и Z0. Кварки тоже могут участвовать в слабом взаимодействии, и, следовательно, они видимы для нейтрино. Если идет обмен W± бозоном, то кварк меняет свой аромат – превращается в кварк другого типа (например, u → d). Если же нейтрино и кварк обмениваются электрически нейтральным бозоном Z0, то аромат не меняется и процесс похож на обмен фотоном. При малых энергиях рассеяния электронов на протоне процесс описывается формулой Резерфорда и зависит от электрического заряда протона, при рассеянии нейтрино малых энергий можно ввести так называемый слабый заряд протона (Qpweak) – величину, характеризующую интенсивность взаимодействия частицы с Z0 (как электрический заряд частицы характеризует интенсивность её взаимодействия с фотоном). Qpweak определяется через связь Z0 с входящими в состав протона валентными кварками и может быть определен в экспериментах по рассеянию продольно-поляризованных электронов на неполяризованной водородной мишени. При этом процессе выделяется рассеяние, нарушающее так называемую P-четность (если бы не было слабого взаимодействия, то не было бы и P-нарушающих процессов). Недавно в журнале Nature вышла статья, в которой ученые из Лаборатории им. Томаса Джефферсона определили слабый заряд протона таким методом (Qpweak = 0.0719 ± 0.0045). Полученное значение Qpweak находится в замечательном согласии с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц. Это измерение накладывает сильные ограничения на наличие новых фундаментальных P-нарушающих лептонных взаимодействий на масштабах энергии несколько тысяч гигаэлектронвольт.

Исследованием свойств протона занимаются и физики Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Они принимают участие в работе всех больших экспериментов на БАК, одним из направлений работы которых является изучение структурных функций протона, входят в состав эксперимента HERMES, вместе с немецкими коллегами принимают участие в подготовке эксперимента по изучению зарядового радиуса протона в электрон-протонном рассеянии.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт