«Кризис спина протона» получил новое развитие

28 Июля 2014 в 16:30, Илья Хель 5 849 просмотров 13

Атомы

У протонов есть постоянный спин, который является внутренним свойством частицы, подобно массе или заряду. Тем не менее «откуда берется спин» стало такой тайной, что ее назвали «кризисом спина протона». Изначально физики считали, что спин протона был суммой спинов трех составляющих его кварков. Но эксперимент 1987 года показал, что кварки могут составлять лишь небольшую часть спина протона, поднимая вопрос о том, где возникает остальная. Кварки внутри протона соединяются глюонами, поэтому ученые предположили, что, возможно, они способствуют появлению спина. Эта идея в настоящее время имеет поддержку ряда исследований, в ходе которых анализируются столкновения протонов на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк.

Физики часто объясняют спин как вращение частицы, но это описание более метафорическое, чем буквальное. На самом деле спин представляет собой квантовую величину, которая не может быть описана в классических терминах. Точно так же, как и протон не просто камешек, а нагромождение фантомных частиц, которые непрерывно появляются и исчезают, его спин является сложным свойством вероятности. Тем не менее он всегда равен половине.

Кварки тоже обладают спином, равным половине. Физики изначально предполагали, что два из трех кварков всегда вращаются в противоположных направлениях, компенсируя друг друга и оставляя оставшуюся половину как общий спин протона.

«Этой наивной идее 25 лет, — говорит Даниель де Флориан из Университета Буэнос-Айреса, лидер одной из новых работ, опубликованной в начале июля в Physical Review Letters. — К концу 80-х годов стало возможным измерить вклад спинов кварков в спин протона и первое же измерение показало, что оно равно нулю. Это было большим сюрпризом».

Более поздние измерения фактически оставили возможность вклада кварков до 25% в суммарный спин протона, но все равно остается львиная доля пропавшего без вести спина.

Глюоны присутствуют внутри протона как представители сильного ядерного взаимодействия, фундаментальной силы, связывающей кварки вместе. У каждого глюона спин равен единице, и в зависимости от направления, в котором они вращаются, можно было бы составить оставшуюся часть спина протона. Их измерение — крайне непростая задача. RHIC — единственный эксперимент, который должен решить этот вопрос, поскольку это единственный ускоритель частиц, который построен для столкновения «спин-поляризованных» протонов, означая, что спин всех частиц будет в одном направлении, когда они столкнутся. (На более мощном Большом адронном коллайдере в Швейцарии спин частиц не выравнивается).

Когда два протона сталкиваются вместе, их взаимодействие контролируется мощной силой, поэтому глюоны принимают непосредственное участие. Если спин глюона является важным ингредиентом спина протона, ориентация спинов сталкивающихся протонов повлияет на результат. Ученые ожидали, что столкновение между двумя протонами, спины которых были выровнены, произойдет на иной частоте, нежели столкновение между теми протонами, спины которых направлены в противоположные стороны. И согласно последним данным с RHIC, разница есть.

«Если нет определенных позиций, разница будет равна нулю, — говорит физик Хуан Рохо из Университета Оксфорда. — Если асимметрия не нулевая, распределение спина не будет тривиальным».

Команда Рохо рассчитала, что глюоны, возможно, вносят половину спина в свойства протона. Де Флориан и его коллеги анализировали те же данные с RHIC, но использовали другой математический анализ для расчета вклада глюонов. Они тоже обнаружили, что спин глюонов может быть существенно важен.

«Эти данные впервые показали, что поляризация глюонов ненулевая; глюоны поляризованы. В принципе, они могут быть ответственны за остаток спина протона, но неопределенность крайне высока».

Обе команды утверждают, что их работа является только началом выяснения того, как глюоны определяют спин протона. Для большей уверенности нужен более серьезный эксперимент. Лучшим кандидатом будет строительство электрон-ионного коллайдера в Брукхейвене. Эта машина будет сталкивать поляризованные протоны при более высоких энергиях, чем RHIC, и сможет определить вклад высокоэнергетических глюонов в спин протона, нежели в диапазоне более низких энергий, как сейчас.

Если спин глюонов не компенсирует недостающий спин протона, он может определиться орбитальным угловым моментов кварков и глюонов, роящихся вокруг протона. Так же как Земля вращается вокруг своей оси, а также вращается вокруг Солнца, кварки и глюоны имеют свой собственный внутренний спин наряду с угловым моментом, который появляется в результате их движения вокруг центра протона. Вопрос, говорит физик Роберт Яффе из Массачусетского технологического института, не принимавший участия в исследовании, в том, какую часть суммарного спина обеспечивает каждый из элементов.

«Измерение вклада глюонов в спин протона — важный шаг для ответа на вопрос».

Разрешение кризиса спина протона имеет жизненно важное значение не только для понимания спина, но и для изучения того, как протоны и многие другие частицы приобретают свою массу. Недавно обнаруженный бозон Хиггса, как часто отмечают, несет ответственность за оснащение массой всех других частиц. Это правда, но не вся, говорит Рохо. В дополнение к механизму Хиггса должен быть и другой процесс, дающий протонам массу. Этот процесс связан с тем, почему кварки и глюоны всегда обнаруживаются вместе в других частицах вроде протона и никогда — по одиночке. Динамика этой связи (конфайнмента) также влияет на поляризации спина кварков и глюонов.

«Одной из сложнейших проблем современной теоретической физики является понимание конфайнмента, — говорит Рохо. — Чем лучше мы поймем поляризационное распределение кварков и глюонов, тем ближе мы приблизимся к пониманию конфайнмента. Поняв механизм конфайнмента, мы поймем и откуда протон берет свою массу».

«Кризис спина протона» получил новое развитие

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

13 комментариев

  1. Arkanfel

    Не осилил (

  2. aram20

    Слишком тяжелое чтиво... (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  3. Vladimir8

    Илья недоволен уровнем вашего IQ :)
    Я тоже не особо разбираюсь в кварк-глюонных взаимодействиях (отвечают за сильное взаимодейтсвие - т.е. атомное). Самое веселое это понять где предел - рубеж квантовой физики и ньютоновской, как из пустоты вероятностей получается частица. Хотел бы я дожить до этого открытия.

    • Taras-proger

      Нет. Атомные - это валентная и ковалентная связи. Их переносчиками являются даже не фотоны, а электроны, так что эти силы не фундоментальны, а столь же вторичны, как сила трения и сила упругости.

    • Taras-proger

      А рубеж уж найден - коллапс волновой функции на своём же гравитационном поле. Только он всё ещё размыт.

  4. array

    тоже не осилил

  5. zzz7

    Не смущайтесь,что не осилили.Были бы в теме кучу лет -тоже ,как и все остальные учённые , могли бы жонглировать малопонятными штучками в математических формулах,считая последние строго верными)) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • Taras-proger

      А при чём здесь малопонятные штуки? Ну кроме того, причём здесь Земля.

  6. dizel007

    Бла-бла-бла
    (С) Ш. Купер (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  7. lagresse

    Видимо масса приходит из взаимодействия с другими измерениями (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.