Протон оказался куда более квантовым, чем считалось раньше
Новое исследование переворачивает привычные представления о частицах, лежащих в основе каждого атома. Оказывается, внутри протона скрываются квантовые эффекты, которые долгое время ускользали от внимания физиков.
Мы привыкли думать, что протон — это просто статичный набор кварков и глюонов. Однако реальность, как водится, сложнее. Ученые уже давно знают, из чего состоят эти частицы, но точное поведение и распределение внутренних «ингредиентов» до сих пор оставалось загадкой. А между тем, от этих деталей напрямую зависит успех экспериментов на коллайдерах: ведь именно там, сталкивая протоны, физики надеются открыть новые частицы или понять фундаментальные законы природы.
Главным математическим инструментом для изучения недр протона долгое время служила так называемая партонная модель. Она позволяет рассчитывать плотность частиц внутри протона с помощью теории вероятностей и предсказывать, как будет выглядеть его «начинка» в ходе ускорительных экспериментов.
«Партонная модель невероятно эффективна — на ней держится почти всё наше знание о внутреннем устройстве протона. Но если взглянуть на неё непредвзято, становится ясно: лежащая в её основе картина мира довольно классическая, — поясняет Алексей Владимиров из Мадридского университета Комплутенсе. — А это, конечно, заблуждение, потому что мы-то знаем, что существует квантовая механика».
Идеи о поиске квантовых эффектов внутри протона витают в научной среде с 1980-х годов, рассказывает Владимиров. Однако все эти годы разные эксперименты давали противоречивые, а порой и взаимоисключающие результаты.
Чтобы внести ясность, Владимиров с коллегами сосредоточились на одном характерном признаке квантового мира — интерференции. Если говорить проще, квантовые частицы обладают волновой природой, а интерференция — это когда две такие волны накладываются друг на друга: в одних точках они усиливаются, а в других — гасят друг друга. С точки зрения математики это выглядит так: если в классике вероятности просто складываются, то при интерференции к их сумме добавляются дополнительные члены.
Исследователям удалось выделить математические «отпечатки» квантовой интерференции, проанализировав более десятка совершенно разнородных массивов данных. Например, часть информации поступила из ЦЕРН (Швейцария), а часть — с немецкого ускорителя DESY. Причем ни один из этих экспериментов изначально не был нацелен на поиск интерференции.
«Все прежние попытки проваливались именно потому, что исследователи опирались на какой-то один источник данных, — поясняет Владимиров. — Собрать всё воедино было технически сложно, но это того стоило». В итоге ученые смогли четко зафиксировать конкретные случаи квантовой интерференции внутри протона — например, когда глюон «взаимодействует» сам с собой через пару «кварк-антикварк».
По словам Владимирова, это открытие заставляет физиков по-новому взглянуть на привычную модель: «Мы привыкли считать протон почти классическим набором частиц. Мы показали, что это не так, — он гораздо более квантовый, чем принято думать».
«Ценность этой работы в том, что она собирает воедино огромный объем информации из разных источников и говорит: "Смотрите, мы точно видим, что эффекты квантовой интерференции реально присутствуют в физических процессах"», — комментирует Владимир Браун из Университета Регенсбурга (Германия).
Браун отмечает, что это первый столь масштабный анализ, и он должен подстегнуть новые эксперименты. Например, будущие исследования на ускорителе имени Томаса Джефферсона в Вирджинии (США) могут выявить дополнительные признаки интерференции и связать их с другими явлениями, возникающими при столкновениях частиц на высоких скоростях.
Сам Браун, посвятивший этой теме 40 лет, признаётся, что его удивили детали. «Я, конечно, не сомневался в квантовой природе протона, — говорит он. — Но я ожидал, что самые яркие эффекты проявят себя совсем в другом месте, а не там, где они обнаружились».
В планах исследовательской группы — расширить базу данных, уточнить анализ и окончательно подтвердить свои выводы. Однако впереди не менее важный вопрос: как интерпретировать полученные результаты и составить цельную картину того, что на самом деле творится внутри протона.
Например, обнаруженный эффект интерференции тесно связан с квантовым спином кварков и глюонов. Эта характеристика до сих пор измерена очень приблизительно и плохо понята. Кроме того, физикам еще предстоит выяснить, как интерференция соотносится с силами, действующими на кварки и глюоны. В частности, речь идет о сильном ядерном взаимодействии — одной из четырех фундаментальных сил природы. Понимание этой связи приблизило бы нас к разгадке самых базовых законов Вселенной.
