Багатоликий протон

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 61

Вивчаючи будову речовини, фізики дізналися, з чого зроблені атоми, дісталися до атомного ядра і розщепили його на протони і нейтрони. Всі ці кроки давалися досить легко — треба було лише розігнати частинки до потрібної енергії, зіштовхнути їх один з одним, і тоді вони самі розвалювалися на складові частини.

А ось з протонами і нейтронами такий трюк вже не пройшов. Хоча вони і є складовими частинками, їх не вдається «розламати на частини» ні в якому навіть найсильнішому зіткненні. Тому фізикам знадобилися десятиліття для того, щоб придумати різні способи зазирнути всередину протона, побачити його пристрій і форму. У наші дні вивчення структури протона — одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок.

Природа дає натяки

Історія вивчення структури протонів і нейтронів бере свій початок з 1930-х років. Коли на додаток до протонів були відкриті нейтрони (1932), то, вимірявши їх масу, фізики з подивом виявили, що вона дуже близька до маси протона. Більш того, виявилося, що протони і нейтрони «відчувають» ядерну взаємодію абсолютно однаковим чином. Настільки однаковим, що, з точки зору ядерних сил, протон і нейтрон можна вважати як би двома проявами однієї і тієї ж частинки — нуклону: протон — це електрично заряджений нуклон, а нейтрон — нейтральний нуклон. Поміняйте протони на нейтрони — і ядерні сили (майже) нічого не помітять.

Фізики цю властивість природи виражають як симетрію — ядерна взаємодія симетрична щодо заміни протонів на нейтрони, подібно як метелик симетричний щодо заміни лівого на праве. Ця симетрія, крім того що вона зіграла важливу роль в ядерній фізиці, була насправді першим натяком на те, що у нуклонів є цікава внутрішня будова. Правда, тоді, в 30-ті роки, фізики цей натяк не усвідомили.

Розуміння прийшло пізніше. Почалося з того, що в 1940-50-ті роки в реакціях зіткнення протонів з ядрами різних елементів вчені з подивом виявляли все нові і нові частинки. Не протони, не нейтрони, не відкриті до того часу пі-мезони, які утримують нуклони в ядрах, а якісь зовсім нові частинки. При всій своїй різноманітності ці нові частинки мали дві загальні властивості. По-перше, вони, так само як і нуклони, дуже охоче брали участь у ядерних взаємодіях — зараз такі частинки називають адронами. А по-друге, вони були виключно нестабільними. Найбільш нестійкі з них розпадалися на інші частинки всього за трильйонну частку наносекунди, не встигнувши пролетіти навіть на розмір атомного ядра!

Довгий час «зоопарк» адронів представляв з себе повну мішанину. Наприкінці 1950-х років фізики дізналися вже досить багато різних видів адронів, почали порівнювати їх один з одним і раптом побачили якусь загальну симетричність, навіть періодичність їх властивостей. Була висловлена здогадка, що всередині всіх адронів (в тому числі і нуклонів) сидять якісь прості об’єкти, які отримали назву «кварки». Комбінуючи кварки різними способами, можна отримувати різні адрони, причому саме такого типу і з такими властивостями, які виявлялися в експерименті.

Що робить протон протоном?

Після того як фізики відкрили кварковий пристрій адронів і дізналися, що кварки бувають декількох різних сортів, стало зрозуміло, що з кварків можна сконструювати багато різних частинок. Так що вже нікого не дивувало, коли наступні експерименти продовжували один за одним знаходити нові адрони. Але серед усіх адронів виявилося ціле сімейство частинок, що складаються, так само як і протон, тільки з двох u-кварків і одного d-кварка. Такі собі «побратими» протона. І ось тут фізиків підстерігав сюрприз.

Давайте спочатку зробимо одне просте спостереження. Якщо у нас є кілька предметів, що складаються з однакових «цеглинок», то більш важкі предмети містять більше «цеглинок», а більш легкі — менше. Це дуже природний принцип, який можна називати принципом комбінування або принципом надбудови, і він чудово виконується як у повсякденному житті, так і у фізиці. Він проявляється навіть у пристрої атомних ядер — адже більш важкі ядра просто складаються з більшого числа протонів і нейтронів.

Однак на рівні кварків цей принцип абсолютно не працює, і, треба зізнатися, фізики ще не до кінця розібралися, чому. Виявляється, важкі побратими протона теж складаються з тих же самих кварків, що і протон, хоча вони в півтора, а то і в два рази важче протона. Вони відрізняються від протона (і розрізняються між собою) не складом, а взаємним розташуванням кварків, тим, в якому стані відносно один одного ці кварки знаходяться. Досить змінити взаємне положення кварків — і ми з протону отримаємо іншу, помітно більш важку, частинку.

А що буде, якщо все-таки взяти і зібрати разом більше трьох кварків? Чи вийде нова важка частинка? Дивно, але не вийде — кварки розіб’ються по троє і перетворяться на кілька розрізнених частинок. Чомусь природа «не любить» об’єднувати багато кварків в одне ціле! Лише зовсім недавно, буквально в останні роки, стали з’являтися натяки на те, що деякі багатокваркові частинки все ж існують, але це лише підкреслює, наскільки природа їх не любить.

З цієї комбінаторики випливає дуже важливий і глибокий висновок — маса адронів зовсім не складається з маси кварків. Але якщо масу адрона можна збільшити або зменшити простим перекомбінуванням складових його цеглинок, значить, зовсім не самі кварки відповідальні за масу адронів. І дійсно, в наступних експериментах вдалося дізнатися, що маса самих кварків становить лише близько двох відсотків від маси протона, а вся інша тяжкість виникає за рахунок силового поля (йому відповідають спеціальні частинки — глюони), що зв’язує кварки разом. Змінюючи взаємне розташування кварків, наприклад відсуваючи їх подалі один від одного, ми тим самим змінюємо глюонну хмару, робимо її більш масивною, через що і зростає маса адрона (рис. 1).

Ріс. 1. Умовне зображення протона і декількох його «побратимів». Кольорові точки — це кварки, пов’язані один з одним глюонним полем (блакитне хмарко). Незважаючи на те, що всі ці частинки складені з одних і тих же кварків, у них різні маси і різні часи життя. Маси частинок виражені в енергетичних одиницях — мегаелектронвольтах (МеВ)

Що відбувається всередині протона, що швидко летить?

Все описане вище стосується нерухомого протона, мовою фізиків — це пристрій протона в його системі спокою. Однак в експерименті структура протона була вперше виявлена в інших умовах — всередині протона, що швидко летить.

Наприкінці 1960-х років в експериментах із зіткнення частинок на прискорювачах було помічено, що протони, які летять з навколосвітньою швидкістю, вели себе так, немов енергія всередині них не розподілена рівномірно, а сконцентрована в окремих компактних об’єктах. Ці згустки речовини всередині протонів знаменитий фізик Річард Фейнман запропонував називати партонами (від англійської part — частина).

У наступних експериментах було вивчено багато властивостей партонів — наприклад, їх електричний заряд, їх кількість і частка енергії протона, яку кожен з них несе. Виявляється, заряджені партони — це кварки, а нейтральні партони — це глюони. Так-так, ті самі глюони, які в системі спокою протона просто «прислужували» кваркам, притягуючи їх один до одного, тепер є самостійними партонами і поряд з кварками несуть «речовину» і енергію протона, що швидко летить. Досліди показали, що приблизно половина енергії запасена в кварках, а половина — в глюонах.

Рис, 2. При зіткненні протона з електроном між ними «проскакує» квант електромагнітного поля — фотон. Стикаючись з одним з партонів у протоні, він породжує багато вторинних адронів, наприклад мезонів

Партони найзручніше вивчати в зіткненні протонів з електронами. Справа в тому, що, на відміну від протона, електрон не бере участі в сильних ядерних взаємодіях і його зіткнення з протоном виглядає досить просто: електрон на дуже короткий час випускає віртуальний фотон, який врізається в заряджений партон і породжує врешті-решт велику кількість частинок (рис. 2). Можна сказати, що електрон є відмінним скальпелем для «розтину» протона і поділу його на окремі частини — правда, лише на дуже короткий час. Знаючи, як часто відбуваються такі процеси на прискорювачі, можна виміряти кількість партонів всередині протона і їх заряди.

Хто такі партони насправді?

І тут ми підходимо до ще одного вражаючого відкриття, яке зробили фізики, вивчаючи зіткнення елементарних частинок при високих енергіях.

У звичайних умовах питання про те, з чого складається той чи інший предмет, має універсальну відповідь для всіх систем відліку. Наприклад, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню — і не важливо, чи дивимося ми на нерухому або на рухому молекулу. Однак це правило — здавалося б, таке природне! — порушується, якщо йдеться про елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В одній системі відліку складна частинка може складатися з одного набору субчастинок, а в іншій системі відліку — з іншого. Виходить, що склад — поняття відносне!

Як таке може бути? Ключовим тут є одна важлива властивість: кількість частинок у нашому світі не фіксовано — частинки можуть народжуватися і зникати. Наприклад, якщо зіштовхнути разом два електрони з досить великою енергією, то на додачу до цих двох електрон може народитися або фотон, або електрон-позитронна пара, або ще якісь частинки. Все це дозволено квантовими законами, саме так і відбувається в реальних експериментах.

Але цей «закон незбереження» частинок працює при зіткненнях частинок. А як же виходить, що один і той же протон з різних точок зору виглядає складним з різного набору частинок? Справа в тому, що протон — це не просто три кварки, складені разом. Між кварками існує силове глюонне поле. Взагалі, силове поле (як, наприклад, гравітаційне або електричне поле) — це якась матеріальна «сутність», яка пронизує простір і дозволяє частинкам чинити силовий вплив один на одного. У квантовій теорії поле теж складається з частинок, правда з особливих — віртуальних. Кількість цих частинок не фіксовано, вони постійно «відмовляються» від кварків і поглинаються іншими кварками.

Протон дійсно можна уявити собі як три кварки, між якими перескакують глюони. Але якщо поглянути на той же протон з іншої системи відліку, немов з вікна проїжджаючого повз «релятивістського поїзда», то ми побачимо зовсім іншу картину. Ті віртуальні глюони, які склеювали кварки разом, здадуться вже менш віртуальними, «більш справжніми» частинками. Вони, звичайно, як і раніше народжуються і поглинаються кварками, але при цьому якийсь час живуть самі по собі, летять поруч з кварками, немов справжні частинки. Те, що виглядає простим силовим полем в одній системі відліку, перетворюється в іншій системі на потік частинок! Зауважте, сам протон ми при цьому не чіпаємо, а тільки дивимося на нього з іншої системи відліку.

Далі — більше. Чим ближче швидкість нашого «релятивістського поїзда» до швидкості світла, тим більш дивовижну картину всередині протона ми побачимо. У міру наближення до швидкості світла ми зауважимо, що глюонів всередині протона стає все більше і більше. Більше того, вони іноді розщеплюються на кварк-антикваркові пари, які теж летять поруч і теж вважаються партонами. В результаті ультрарелятивістський протон, тобто протон, що рухається відносно нас зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, постає у вигляді взаємопроникаючих хмарок кварків, антикварків і глюонів, які летять разом і як би підтримують один одного (рис. 3).

Ріс.З. Схематичне зображення протона в різних системах відліку. Повільно рухомий протон (а) можна представляти у вигляді трьох кварків (суцільні лінії), які пов’язані один з одним глюонами (штрихові лінії). У протоні, що швидко рухається, глюони вже іноді летять поруч з кварками. При швидкості протона, дуже близькій до швидкості світла (в), і глюони, і породжені ними кварк-антикваркові пари стають повноправними партонами — складовими частинами протона

Читач, знайомий з теорією відносності, може занепокоїтися. Вся фізика заснована на тому принципі, що будь-який процес протікає однаково у всіх інерційних системах відліку. А тут виходить, що склад протона залежить від системи відліку, з якої ми його спостерігаємо?!

Так, саме так, але це ніяк не порушує принцип відносності. Результати фізичних процесів — наприклад, які частинки і скільки народжуються в результаті зіткнення — дійсно виявляються інваріантними, хоча склад протона залежить від системи відліку.

Ця незвичайна на перший погляд, але задовольняє всім законам фізики ситуація схематично проілюстрована на малюнку 4. Тут показано, як зіткнення двох протонів з великою енергією виглядає в різних системах відліку: в системі спокою одного протона, в системі центру мас, в системі спокою іншого протона. Взаємодія між протонами здійснюється через каскад глюонів, що розщеплюються, але тільки в одному випадку цей каскад вважається «внутрішністю» одного протона, в іншому випадку — частиною іншого протона, а в третьому — це просто якийсь об’єкт, яким обмінюються два протони. Цей каскад існує, він реальний, але до якої частини процесу його треба відносити — залежить від системи відліку.

Рис, 4. Схематичне зображення зіткнення двох протонів при дуже великій енергії: в системі спокою другого протона (а), в системі центру мас (б), в системі спокою першого протона (в). У всіх трьох випадках взаємодія протонів здійснюється через обмін «глюонного дерева», але до кого саме його відносити (до першого або до другого протону або ж вважати окремою взаємодією) — залежить від системи відліку

Тривимірний портрет протона

Всі результати, про які ми щойно розповіли, базувалися на експериментах, виконаних досить давно — в 60-70-х роках минулого століття. Здавалося б, з тих пір все вже повинно бути вивчено і всі питання повинні знайти свої відповіді. Але ні — пристрій протона як і раніше залишається однією з найцікавіших тем у фізиці елементарних частинок. Більш того, в останні роки інтерес до неї знову зріс, тому що фізики зрозуміли, як отримати «тривимірний» портрет протона, який швидко рухається, який виявився набагато складнішим за портрет нерухомого протона.

Класичні експерименти із зіткнення протонів розповідають лише про кількість партонів і їх розподіл по енергії. У таких експериментах партони беруть участь як незалежні об’єкти, а значить, з них не можна дізнатися, як партони розташовані один щодо одного, як саме вони складаються в протон. Можна сказати, що довгий час фізикам був доступний лише «одномірний» портрет протона, що швидко летить.

Для того щоб побудувати справжній, тривимірний, портрет протона і дізнатися розподіл партонів у просторі, потрібні набагато більш тонкі експерименти, ніж ті, які були можливі 40 років тому. Такі експерименти фізики навчилися ставити зовсім недавно, буквально в останнє десятиліття. Вони зрозуміли, що серед величезної кількості різних реакцій, які відбуваються при зіткненні електрона з протоном, є одна особлива реакція — глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання, — яка і зможе розповісти про тривимірну структуру протона.

Взагалі, комптонівським розсіюванням, або ефектом Комптона, називають пруге зіткнення фотона з якоюсь частинкою, наприклад з протоном. Виглядає воно так: прилітає фотон, поглинається протоном, який на короткий час переходить у збуджений стан, а потім повертається у вихідний стан, випускаючи фотон в якомусь напрямку.

Комптонівське розсіювання звичайних світлових фотонів не призводить ні до чого цікавого — це просте відбиття світла від протона. Для того щоб «вступила в гру» внутрішня структура протона і «відчулися» розподілу кварків, треба використовувати фотони дуже великої енергії — в мільярди разів більше, ніж у звичайному світлі. А саме такі фотони — правда, віртуальні — легко породжує електрон, що налітає. Якщо тепер об’єднати одне з іншим, то і вийде глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання (рис. 5).

Рис, 5. Схема глибоко-віртуального комптонівського розсіювання. Налітаючий електрон випускає віртуальний фотон, який і розсіюється на протоні на зразок ефекту Комптона

Головна особливість цієї реакції полягає в тому, що вона не руйнує протон. Налітаючий фотон не просто б’є по протону, а як би ретельно його відчупує і потім відлітає геть. Те, в який бік він відлітає і яку частину енергії у нього відбирає протон, залежить від пристрою протона, від взаємного розташування партонів всередині нього. Саме тому, вивчаючи цей процес, можна відновити тривимірний вигляд протона, як би «виліпити його скульптуру».

Правда, для фізика-експериментатора зробити це дуже непросто. Потрібний процес відбувається досить рідко, і зареєструвати його важко. Перші експериментальні дані про цю реакцію були отримані лише в 2001 році на прискорювачі HERA в німецькому прискорювальному комплексі DESY в Гамбурзі; нова серія даних зараз обробляється експериментаторами. Втім, вже сьогодні, на підставі перших даних, теоретики малюють тривимірні розподілу кварків і глюонів у протоні. Фізична величина, про яку фізики раніше будували лише припущення, нарешті стала «проступати» з експерименту.

Чи чекають нас якісь несподівані відкриття в цій області? Цілком ймовірно, що так. Як ілюстрацію скажемо, що в листопаді 2008 року з’явилася цікава теоретична стаття, в якій стверджується, що протон, який швидко летить, повинен мати вигляд не плоского диска, а двояковогнутої лінзи. Так виходить тому, що партони, що сидять в центральній області протона, сильніше стискаються в поздовжньому напрямку, ніж партони, що сидять на краях. Було б дуже цікаво перевірити ці теоретичні передбачення експериментально!

Чому все це цікаво фізикам?

Навіщо взагалі фізикам треба знати, як саме розподілено речовину всередині протонів і нейтронів?

По-перше, цього вимагає сама логіка розвитку фізики. У світі є багато вражаюче складних систем, з якими сучасна теоретична фізика поки не може повністю впоратися. Адрони — одна з таких систем. Розбираючись з пристроєм адронів, ми відточуємо здібності теоретичної фізики, які цілком можуть виявитися універсальними і, можливо, допоможуть у чомусь зовсім іншому, наприклад при вивченні надпровідників або інших матеріалів з незвичайними властивостями.

По-друге, тут є безпосередня користь для ядерної фізики. Незважаючи на майже вікову історію вивчення атомних ядер, теоретики досі не знають точний закон взаємодії протонів і нейтронів.

Їм доводиться цей закон частково вгадувати, виходячи з експериментальних даних, почасти конструювати на основі знань про структуру нуклонів. Тут-то і допоможуть нові дані про тривимірний пристрій нуклонів.

По-третє, кілька років тому фізики зуміли отримати ні багато ні мало новий агрегатний стан речовини — кварк-глюонну плазму. У такому стані кварки не сидять всередині окремих протонів і нейтронів, а вільно гуляють по всьому згустку ядерної речовини. Досягти його можна, наприклад, так: важкі ядра розганяються в прискорювачі до швидкості, дуже близькій до швидкості світла, і потім стикаються лоб в лоб. У цьому зіткненні на дуже короткий час виникає температура в трильйони градусів, яка і розплавляє ядра в кварк-глюонну плазму. Так от, виявляється, що теоретичні розрахунки цього ядерного плавлення вимагають хорошого знання тривимірного пристрою нуклонів.

Нарешті, ці дані дуже потрібні для астрофізики. Коли важкі зірки вибухають в кінці свого життя, від них часто залишаються надзвичайно компактні об’єкти — нейтронні і, можливо, кваркові зірки. Серцевина цих зірок цілком складається з нейтронів, а може бути навіть і з холодної кварк-глюонної плазми. Такі зірки вже давно виявлені, але що відбувається у них всередині — можна тільки здогадуватися. Тож добре розуміння кваркових розподілів може призвести до прогресу і в астрофізиці.