Вот уже почти столетие физики изучают атомное ядро — небольшую область в сердце атомов. Мы знаем, что эти ядра состоят из протонов и нейтронов, которые сами состоят из еще более мелких частиц — кварков, связанных между собой глюонами. Несмотря на эти знания, воспроизведение всех свойств атомных ядер, наблюдаемых в ядерных экспериментах с использованием только кварков и глюонов, оказалось серьезной проблемой. Лишь недавно физикам, в частности сотрудникам Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове, удалось преодолеть это препятствие.
Атомные ядра: протоны, нейтроны и кварки
В первой половине двадцатого века физики обнаружили, что атомное ядро, составляющее большую часть массы атомов, состоит из протонов (положительно заряженных) и нейтронов (незаряженных). Эти две частицы, также известные как нуклоны, вместе образуют ядро. В течение нескольких десятилетий эти нуклоны считались самыми маленькими строительными блоками материи.
В 1960-х годах новые исследования показали, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками, которые удерживаются вместе глюонами — частицами, обладающими чрезвычайно мощной силой. Эта модель материи, основанная на кварках и глюонах, произвела революцию в нашем понимании физики частиц.
Однако это открытие поставило перед физиками серьезную проблему. При низких энергиях, в обычных условиях, с которыми мы сталкиваемся каждый день, протоны и нейтроны ведут себя как отдельные и независимые частицы. Это означает, что мы можем рассматривать их по отдельности. Однако, когда атомные ядра исследуются в условиях очень высоких энергий, например, в ускорителях частиц, кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, становятся видимыми. Это раскрывает их внутреннюю структуру и показывает, что эти частицы не ведут себя как отдельные сущности.
До недавнего времени не существовало модели, способной связать эти два аспекта: с одной стороны, поведение протонов и нейтронов при низких энергиях, а с другой — структуру кварков и глюонов при высоких энергиях. Поэтому физики попытались объединить эти два описания, чтобы лучше понять, как эти фундаментальные компоненты взаимодействуют в атомном ядре.
Единая модель, основанная на экспериментальных данных
Исследователи из Института ядерной физики в Кракове использовали данные о столкновениях очень высоких энергий, проведенных на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. Благодаря этим экспериментам они смогли изучить партоны, то есть кварки и глюоны, находящиеся внутри протонов и нейтронов.
Объединив данные низкоэнергетических столкновений, в которых наблюдаются только протоны и нейтроны, с данными высокоэнергетических столкновений, ученые разработали единую модель. Эта модель объясняет поведение атомных ядер в различных энергетических режимах и позволяет лучше понять их внутреннюю структуру.
Настоящая инновация в этом исследовании заключается в применении моделей, описывающих взаимодействие протонов и нейтронов при низких энергиях, к высокоэнергетическим столкновениям. Это позволило получить более точное описание атомных ядер и понять, как взаимодействуют кварки и глюоны в таких экстремальных условиях.
Исследователи проверили свою модель на восемнадцати атомных ядрах, начиная с самых легких, таких как углерод, и заканчивая самыми тяжелыми, такими как золото и свинец. Результаты показали отличное совпадение с экспериментальными данными, подтвердив, что в тяжелых ядрах большинство пар коррелированных нуклонов состоят из протона и нейтрона. Это открытие — важный шаг вперед, поскольку оно улучшает интерпретацию данных, полученных в экспериментах с высокими и низкими энергиями.
Многообещающие перспективы на будущее
Важность этого открытия заключается в том, что оно открывает новые перспективы для ядерной физики. Объединив два описания атомных ядер, исследователи сделали ключевой шаг к лучшему пониманию фундаментальных взаимодействий, управляющих материей. Это достижение может иметь серьезные последствия не только для теоретических исследований, но и для практического применения в таких областях, как физика частиц и исследования в области ядерной энергии.
Кроме того, объединение позволит исследователям с большей точностью изучать отдельные атомные ядра и лучше понимать распределение кварков и глюонов в этих ядрах. Это также может привести к усовершенствованию ускорителей частиц и экспериментов с высокоэнергетическими столкновениями, которые необходимы для изучения пределов нашего понимания Вселенной.
