Если вы спросите, сколько весит такой предмет, как велосипед, ответ будет простым. Но если вы спросите, где находится масса велосипеда, все станет немного сложнее. Велосипед состоит из множества частей, некоторые из которых движутся, и все они имеют разные размеры, формы и плотности, поэтому его масса неравномерно распределена вокруг его формы.
В какой-то мере это аналогично вопросу о том, где находится масса протона. Протон — это совокупность кварков и глюонов, движущихся с релятивистскими скоростями вокруг центральной точки. Было бы трудно сказать, где было бы его групповое время жизни, даже без того факта, что аналогия с велосипедами полностью нарушается из-за одного смущающего факта: протон весит намного больше, чем составляющие его кварки, а глюоны, скрепляющие кварки, не имеют массы. На самом деле, масса вовлеченных частиц не имеет значения. «Если вы выполняете расчеты, приравнивая массу кварка к нулю, протон — это почти то же самое», — сказал Ars физик Сильвестр Йоханнес Йостен.
Вместо этого большая часть массы протона происходит от невероятно высокой плотности энергии, создаваемой сильными взаимодействиями сил глюонов. Итак, чтобы понять массу протона, мы должны понять, что должны делать глюоны. Что, будучи безмассовым и не имеющим заряда, сделать крайне сложно. Но в некоторых экспериментальных работах было получено значение массового радиуса протона, которое описывает распределение массы внутри частицы. И получается, что величина существенно отличается от радиуса заряда протона.
Вдыхание глюонов
Глюоны без массы или заряда очень трудно обнаружить; В первую очередь мы делаем вывод, где они должны быть, по обломкам, которые они помогают создавать при столкновениях частиц. В какой-то степени мы можем моделировать их поведение, но это в первую очередь описывается квантовой хромодинамикой, которая славится своей способностью ставить на колени огромные вычислительные ресурсы. Таким образом, даже наши лучшие модели поведения глюонов являются приблизительными.
Если масса протона зависит в первую очередь от его глюонов, тогда, а мы не можем знать, что делают глюоны, как мы можем знать, что происходит?
Хитрость заключалась в том, чтобы идентифицировать процесс, который можно было бы обнаружить, но который был бы чувствителен к присутствию глюонов. Этот процесс представляет собой преобразование энергии (в виде света) в материю. В частности, фотон достаточной энергии может быть преобразован в так называемый J/мезон, состоящий из очарованного кварка и очарованного антикварка посредством тонкого процесса формирования глюонов в любые соседние протоны. Измеряя производство J/мезонов, можно определить то, что называется глюонными гравитационными форм-факторами, которые описывают, где находится масса в протоне.
Как это сделать, почти так же сложно, как описание процесса в предыдущем абзаце. Он начинается с пучка высокоэнергетических электронов, произведенных в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона. Затем эти электроны перемещаются взад и вперед в направлении их движения в процессе с очень техническим названием: покачиваться. Это заставляет их терять энергию, которую они высвобождают в виде фотонов высокой энергии.
Затем эти фотоны отправляются через камеру, содержащую контейнер с жидким водородом. При пересечении бассейна часть фотонов преобразуется в J/-мезоны, которые мгновенно распадаются. Двумя продуктами этого распада являются электрон и позитрон, которые могут быть захвачены детекторами, позволяющими регистрировать образование J/-мезонов. На основе этих открытий можно переработать и выяснить форм-факторы глюонной гравитации.
(Обратите внимание, что я даже не пытаюсь найти аналогию для глюонных гравитационных формфакторов, которая помогла бы вам понять их. Они описаны в статье как «матричные элементы тензора энергии-импульса протона и кодируют механические свойства протона, в то время как аномальный эффект тензора энергии-импульса является основным компонентом происхождения массы в соответствии с квантовой хромодинамикой». )
Здесь и там
Имея доступные данные, все, что было нужно исследователям, — это модель поведения глюонов, чтобы связать их выводы с тем, что происходит внутри протона. К сожалению, физики создали несколько разных моделей, опять же потому, что прямое вычисление чего-либо, связанного с квантовой хромодинамикой, на современном оборудовании практически невозможно. Таким образом, доступные модели в основном представляют собой альтернативные способы приближения, которые позволяют компьютерам производить что-то полезное.
По большей части различные оценки давали довольно схожие ответы, хотя дела обстояли немного хуже с фотонами с меньшей энергией, у которых едва хватает энергии, чтобы превратиться во что-то с массой Дж/м. Однако различные подходы дают приблизительное согласие относительно того, где находится масса протона и, следовательно, радиус массы протона.
Самое удивительное в результате то, что он отличается от радиуса заряда протона. Несмотря на то, что между различными методами измерения радиуса заряда есть некоторые различия (хотя), эти различия относительно невелики. И все измерения отделяют радиус заряда от радиуса массы. Поскольку заряд является произведением кварков, это указывает на то, что эти частицы регулярно обращаются по орбите за пределами области, часто посещаемой глюонами, которые заняты тем, что удерживают весь протон вместе.
Но Жюстин сказала, что есть намеки на то, что ситуация сложнее. Реакции, в результате которых образовались J-мезоны, требовали обмена глюонами с выровненными спинами. Также возможен обмен глюонами с противоположными спинами, что называется скалярным взаимодействием. И есть некоторые намеки на то, что стандартный радиус также отличается.
«Вы должны ожидать увидеть некоторые стандартные радиусы», — сказал Джастин. «Мы видим что-то огромное. Это намного больше — как этот большой ореол вокруг протона».
Одно предостережение здесь заключается в том, что Йостен сказал, что результаты очень предварительные: «Это не то, что мы нашли, это то, что мы хотели бы исследовать в будущих испытаниях». Во-вторых, использование им термина «огромный» относительно; Все это происходит внутри субатомной частицы.
Но если результаты подтверждаются, они показывают, что у протона есть по крайней мере три различных радиуса — заряд, масса и калибр — и все они имеют разную длину.
И здесь аналогия с велосипедом может снова начать обретать смысл. В конце концов, вы не ожидаете, что центр масс велосипеда будет находиться в том же месте, что и его педали или где происходит рулевое управление. Хотя это единый организм, его сложная природа означает, что эти различные аспекты его поведения не обязательно являются локальными и общими. То же самое, по-видимому, верно и для протона.
Природа, 2023. DOI: 10.1038/с41586-023-05730-4 (о DOI).