Протон как шайба

Протоны при скоростях, близких к скорости света, выглядят как плоские черные диски. К такому выводу пришли ученые, анализируя столкновения протонов в Большом адронном коллайдере и в космических лучах.

Как выглядит протон? Обычно, говоря о «внешнем виде», мы имеем в виду изображение в видимой области спектра. Протоны же слишком малы, чтобы рассеивать такие длины световых волн, поэтому они «никак не выглядят» – так обычно отвечали на поставленный вопрос ученые. Но современные экспериментальные возможности иногда позволяют развенчать самые стойкие «официальные» мифы.

Американские физики Мартин Блок и Фрэнсис Халзен опубликовали в авторитетном научном журнале Physical Review Letters статью, в которой утверждают, что

протон, по крайней мере при высоких энергиях, выглядит как черный диск, больше всего похожий на сильно сплюснутую хоккейную шайбу.

Как мы хорошо знаем из школьного учебника физики, протоны очень малы (их размер около 1,6 фемтометра (10^-15 метра), имеют положительный заряд и составляют вместе с нейтронами атомное ядро. Протон состоит из двух u-кварков (верхних) и одного d-кварка (нижнего). Три кварка связаны друг с другом сильными взаимодействиями, переносчиками которого являются другие элементарные частицы – глюоны. Внутри протона кипит жизнь: кварки перемещаются, обмениваются глюонами; пары частица-античастица постоянно появляются из вакуума и исчезают в нем. Учитывая эти непростые процессы и принимая во внимание смешанную корпускулярно-волновую природу протона (как и другие элементарные частицы, он совмещает в себе свойства частицы и волны), понятно, что задача «нарисовать» протон – не из простых.

Однако благодаря релятивистским эффектам, возникающим при скоростях, близких к скорости света, физики имеют представление о том, как протон теоретически выглядит, двигаясь с этой гигантской скоростью (скорость света в вакууме является одной из универсальных физических постоянных и равна 299 792 458 м/с). Из-за эффекта Лоренцева (или Фицджеральдова) сокращения протон при сверхвысоких скоростях должен сжаться в двумерный диск (то есть диск, не имеющий толщины). Эффект Лоренцева сокращения состоит в том, что с точки зрения наблюдателя движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. Множитель, выражающий кажущееся сжатие размеров, тем сильнее отличается от единицы, чем больше скорость движения предмета.

В своем исследовании Блок и Халзен утверждают, что диск протона черный.

Их выводы основываются на анализе трех разных экспериментов – коллабораций БАК Atlas и CMS, а также крупнейшей в мире обсерватории имени Пьера Оже (Аргентина), наблюдающей космические лучи.

Физики занимаются изучением протон-протонных столкновений в специальных ускорителях – коллайдерах (от английского collide – сталкивать) – в течение нескольких десятков лет. Изучение продуктов взаимодействия частиц в сечении пучка (не все протоны ведут себя как бильярдные шары – при столкновении они не просто разлетаются, а рождают мириады новых частиц) позволяет не только изучить внутреннюю структуру протонов, но и разобраться в строении и свойствах огромного числа других элементарных частиц, которые рождаются при столкновениях.

Блок и Халзен в своей работе суммировали результаты измерений при двух разных энергиях, полученные тремя разными экспериментами. На пучке с энергией столкновения 7 ТэВ (это самый мощный на сегодня пучок, который может генерировать только БАК в CERN) коллаборация БАК Atlas измерила неупругие столкновения протонов на площади 69.1x10^-27 кв. см), а коллаборация БАК CMS с помощью совсем другого инструментария провела независимые измерения этого же пучка на площади 68 x10^-27 кв. см. Третий эксперимент касался протонов из бомбардирующих Землю космических лучей: частицы с энергией 57 ТэВ регистрировала обсерватория имени Пьера Оже, площадь сечения составила 90 x10^-27 кв. см. Для сравнения Блок и Халзен провели теоретическое моделирование соответствующих экспериментов, и результаты оказались близкими к наблюдаемым.

Сопоставив их данные, они разработали численную модель структуры протона. Она позволяет «увидеть»,

что происходит в момент столкновения двух протонов

(именно это происходит в Большом адронном коллайдере, где ученые с помощью сложного комплекса магнитов ускоряют протоны, а затем заставляют их пересекаться в определенных точках).

«В нашей модели, как минимум в пределе (то есть когда энергия протона достигает бесконечности), протон будет взаимодействовать с любыми частицами двумя способами. Ровно половину времени он будет вести себя как бильярдный шар (это соответствует упругому соударению), а вторую половину он будет полностью поглощать сталкивающиеся с ним частицы (абсолютно неупругое соударение)», – поясняет Халзен.

Такая модель соответствует поведению черного диска нулевой толщины – именно эту форму предположили ученые для протона.

Кроме того, поведение протонов при энергии 57 ТэВ уже близко к гипотетической ситуации бесконечно большой энергии. Конечно, искусственно создаваемые пучки протонов (как на БАК) еще очень далеки от создаваемых природой в космических лучах. Однако соотношение неэластичных и эластичных соударений в космических лучах близко к 1:1, что подтверждает правильность модели Блока и Халзена: при бесконечно большой энергии протон становится прохожим на граммофонную пластинку!

«Возможно, однажды нам удастся разработать оборудование, которое позволит нам регистрировать в космических лучах протоны с еще большой энергией. Тогда мы сможем подвести большую экспериментальную базу под наше моделирование», – подытожил Халзен.