Внутри протона

Коллаборации HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) из крупнейшего в Германии центра физики элементарных частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) завершили 23-летние исследования внутренней структуры и свойств протона. О результатах своей работы ученые сообщили в середине июня 2015 года.

Коллаборации HERA объединяют около 300 ученых из 70 стран мира, включая Россию (например, группу физиков из Института экспериментальной и теоретической физики). Всего с 1992-го по 2007 год физики провели две серии экспериментов, получивших название H1 и ZEUS, а с 2008 года анализировали полученную информацию. Их данные — наиболее точные по физике протона.

Ускоритель HERA, расположенный в Гамбурге, уникален тем, что сталкивает, в отличие от, например, Большого адронного коллайдера (БАКа), протоны не друг с другом, а с бесструктурными частицами, лептонами — электронами, а также их античастицами — позитронами. Поэтому HERA состоит из двух различных ускорительных колец — сверхпроводящего кольца, в котором разгоняются протоны, и расположенного под ним кольца, где разгоняются лептоны.

Данные по глубоконеупругому (то есть изменяющему внутреннюю структуру частицы) рассеянию электронов и позитронов на протонах представлены учеными при энергиях протонов в 920, 820, 575 и 460 гигаэлектронвольт. Пучки электронов разгонялись до энергий в 27,5 гигаэлектронвольт. На масштабе Z⁰ бозона ученым также удалось уточнить значение константы сильного взаимодействия.

«Эта публикация — кульминация научной программы HERA и останется наиболее точной картиной протона надолго, — говорит Йоахим Мних, директор по исследованиям DESY. — Это важно не только для понимания самых фундаментальных свойств материи, но и для многих экспериментов на протонных коллайдерах, подобных БАКу в ЦЕРНе».

Ускоритель HERA был разработан специально для того, чтобы заглянуть вглубь протона, используя электроны в качестве зондов. 6,3-километровое сверхпроводящее кольцо разгоняет протоны до околосветовых скоростей, они сталкиваются с электронами и позитронами, разогнанными в противоположном направлении до столь же высоких скоростей в нижнем кольце.

Электроны и позитроны проникают внутрь протона, где электромагнитным или слабым образом взаимодействуют с его составляющими. Эти реакции измерялись двумя главными детекторами коллабораций H1 и ZEUS. Два эксперимента были посвящены процессам лептон-протонного рассеяния, и их результаты позволили лучше понять внутреннюю структуру протонов, описываемую квантовой хромодинамикой (КХД). В отличие от хорошо разработанной квантовой электродинамики, описывающей электромагнитные взаимодействия (например, таких частиц, как фотоны и электроны), КХД является пока полуэмпирической теорией.

Протоны есть в каждом ядре атома и состоят из трех кварков — двух верхних и одного нижнего, сильное взаимодействие между которыми осуществляется посредством глюонов. Как показали исследования HERA, реальная структура протона сложнее, поскольку внутри частицы могут рождаться и уничтожаться виртуальные глюоны, а также пары кварк-антикварк. Основной научный результат, достигнутый на ускорителе HERA, именно в этом.

При низких скоростях протон ведет себя как частица, состоящая из трех кварков. По мере увеличения скорости протона внутри него рождаются виртуальные частицы: из увеличивающегося количества глюонов возникают виртуальные пары кварк-антикварк. То есть структура протона зависит от его скорости (или скорости наблюдателя).

Результаты работы коллаборации в целом подтвердили теоретические выводы КХД, согласно которым при увеличении энергии столкновения частиц внутри протона повышается вероятность рождения виртуальных частиц, так что его структура становится сложнее — частица буквально «закипает». Данные HERA подтверждают теорию, предполагающую объединение при высоких энергиях электромагнитных и слабых сил в единое электрослабое взаимодействие.

Структура протонов на малых расстояниях порядка 10^-15 метров, сравнимых с эффективным диаметром протона (и радиусом действия сильных взаимодействий), хорошо описывается партонной (от английского part — часть) моделью. Ее предложил в 1969 году американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он считал, что высокоэнергетичные протоны состоят из сгустков материи, ведущих себя как отдельные частицы. Эта модель успешно описывала данные по рассеянию лептонов на протонах. Позднее выяснилось, что партоны — не что иное, как кварки и глюоны. Существование первых было теоретически предсказано в 1964 году Марри Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом.

Внутри протона кварки находятся в практически свободном состоянии (явление, называемое асимптотической свободой). Однако в несвязанном (вне какой-либо частицы) состоянии кварк находиться не может — это обусловлено тем, что сила их взаимодействия (ядерная, или, иначе, сильная сила) увеличивается с ростом расстояния между кварками. Последние не могут покинуть протон или любой другой адрон (так называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии) — это явление получило название конфайнмента (иначе — невылетания) кварков. Его математически строгой теории до сих пор не существует, а ее создание сводится к решению одной из Задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя.

При малых энергиях электромагнитное взаимодействие сильнее, чем слабое, но физикам из HERA удалось определить тип наблюдаемых ими взаимодействий благодаря частицам, которые в нем участвуют: электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством безмассового нейтрального фотона, а слабое — массивных заряженных W^± и нейтрального Z⁰ бозонов (уже — при высоких энергиях).

«Благодаря совмещению двух экспериментов мы достигли максимально возможной точности, — отметил Стефан Шмитт из коллаборации H1. — Объединенный набор данных не только повышает качество статистики, но и способствует пониманию каждого отдельного измерения и взаимной калибровки, поскольку два эксперимента используют различные детекторы и экспериментальные методы в своих измерениях».

В коллаборации HERA провели большую работу, объединив данные многолетних измерений. Уже в 2009 году ученые из H1 и ZEUS опубликовали совместную работу о структуре протона, опираясь только на данные до 2000 года. Их статья процитирована более 600 раз, что делает ее одной из самых популярных в своей области. Новая публикация основана на анализе более чем в четыре раза большего количества столкновений частиц и содержит данные по разным областям энергий.

За работы по исследованию структуры протона с помощью глубоконеупругого рассеяния лептонов на ядрах водорода британский Институт физики вручил Аманде Купер-Саркар медаль Чедвика за 2015 год. Эта награда присуждается раз в два года за выдающиеся исследования в области физики элементарных частиц.

Купер-Саркар много лет работала над оптимизацией методов интерпретации экспериментальных данных HERA, а также над квантовой хромодинамикой. Она один из основных разработчиков соответствующего программного обеспечения, при помощи которого коллаборации H1 и ZEUS проанализировали свои данные.

Во многом именно благодаря ей коллаборации H1 и ZEUS объединили свои результаты и представили справочные данные, по которым на десятилетия вперед будет определяться структура протона. В настоящее время Купер-Саркар участвует в коллаборации ATLAS на БАКе, где ее опыт и знания, приобретенные на HERA, очень пригодились.

Однако эксперименты HERA не ответили на все вопросы в области Стандартной модели низких энергий. «Наши измерения не могут достаточно полно описываться квантовой хромодинамикой при взаимодействиях на низких энергиях между электроном и протоном, — подчеркнула Мэтью Винг из коллаборации ZEUS. — На это, безусловно, обратят внимание теоретики и феноменологи в будущем».

Андрей Борисов