Десятилетия поисков раскрыли подробности того, как ведёт себя антиматерия внутри протона

Двадцать лет назад физики занялись исследованием загадочной асимметрии внутренностей протона. И вот результаты их работы демонстрируют, как антиматерия помогает стабилизировать ядро каждого атома.

На первый взгляд протон состоит из трёх частиц, кварков. Но если присмотреться к нему поближе, можно обнаружить море частиц, возникающих и вновь исчезающих в небытие.

Нечасто можно встретить упоминание того, что протон, положительно заряженная частица, составляющая ядра атомов, частично состоит из антиматерии.

В школе мы узнаём, что протон – это клубок из трёх элементарных частиц, кварков. Его составляют два «верхних» кварка и один «нижний», комбинация электрических зарядов которых (+2/3 и -1/3 соотв.) в сумме дают заряд протона в +1. Однако это упрощение, за которым скрывается гораздо более удивительная и ещё не до конца понятая история.

На самом же деле внутри протона вьётся постоянно изменяющееся количество кварков шести разновидностей, их двойников из антиматерии с противоположным зарядом (антикварков), и глюонов – частиц, связывающих их вместе, превращающихся в них и с лёгкостью множащихся. И каким-то образом этот мутный водоворот оказывается идеально стабильным и внешне простым – имитируя в некоторых аспектах простую тройку кварков. «Как это всё работает – это, честно говоря, больше похоже на чудо», — сказал Дональд Гизаман, специалист по ядерной физике из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе.

Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали найти там антиматерию различных типов в равных долях. Вместо этого нижних антикварков там, казалось, было гораздо больше, чем верхних. Затем десять лет спустя другая группа исследователей наткнулась на признаки непонятных колебаний пропорций нижних и верхних антикварков. Но полученные ими результаты находились на границе чувствительности приборов.

Поэтому 20 лет спустя Гизаман и его коллега Пол Реймер вознамерились провести новый эксперимент в этой области. И вот этот эксперимент, названный ими SeaQuest, наконец, закончен. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature. Они измерили внутреннюю антиматерию протона с максимальной на сегодня детализацией. По их данным, нижних антикварков в протоне в среднем в 1,4 раза больше, чем верхних.

Их данные сразу же поддержали две теоретических модели протонного моря. «Это первое реальное свидетельство в пользу этих моделей», — сказал Реймер.

Одна из них – модель «пионного облака». Этот подход, придуманный несколько десятков лет назад, подчёркивает склонность протона к испусканию и повторному поглощению особых частиц, пионов, относящихся к группе мезонов. Другая модель, т.н. «статистическая», описывает протон в виде заполненного газом контейнера.

На будущее планируются эксперименты, которые помогут исследователям выбрать одну из двух моделей. Но какая бы из них ни оказалась верной, данные о внутренней антиматерии протона, полученные в рамках проекта SeaQuest, всё равно будут полезными – например, для физиков, сталкивающих протоны с околосветовыми скоростями на Большом адронном коллайдере. Им будет проще разбираться в осколках столкновения и искать там свидетельства новых эффектов и частиц, если они лучше поймут устройство сталкиваемых объектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, помогающий анализировать данные на БАК, сказал, что проведённые в рамках SeaQuest измерения «могут серьёзно повлиять» на процесс поисков новой физики, который пока что «ограничен нашим пониманием структуры протона, в частности – его антиматериального содержимого».

Троица

В течение небольшого промежутка времени около полусотни лет назад физики считали, что полностью разобрались с протоном.

В 1964 году Мари Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо предложили кварковую модель, согласно которой протоны, нейтроны и их более редкие родственники представляют собой группы из трёх кварков (так эти частицы назвал Гелл-Ман), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема позволяла осмыслить какофонию частиц, разлетавшихся после столкновений в ускорителях высоких энергий – ведь весь спектр их зарядов можно было сконструировать при помощи комбинаций из двух или трёх частиц. Затем около 1970 года исследователи со Стэнфордского линейного ускорителя (SLAC), казалось, с триумфом подтвердили эту модель, сталкивая высокоскоростные электроны с протонами, и наблюдая, как электроны отражаются от неких объектов, находящихся внутри протонов.

Но вскоре ситуация потеряла свою кристальную ясность. «Чем больше мы пытались измерить свойства этих трёх кварков, тем больше дополнительных особенностей мы в них находили», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, работающий с экспериментами над кварками с 1970-х годов.

Тщательное изучение импульсов трёх этих кварков показало, что их масса отвечает за малую долю общей массы протона. Кроме того, при столкновениях электронов с протонами на SLAC исследователи увидели, что электроны отражаются и от других объектов, находящихся внутри протонов. Чем быстрее были электроны, тем меньше были длины их волн, из-за чего они становились восприимчивыми ко всё меньшим деталям протона – будто бы исследователи повышали разрешение микроскопа. Обнаруживалось всё больше и больше внутренних частиц, и конца им не было. Гизаман сказал, что максимального разрешения учёные пока не нашли.

Результаты стали становиться более понятными, когда физики выработали более точную теорию, для которой кварковая модель является лишь приближением: квантовую хромодинамику (КХД). Сформулированная в 1973 году, КХД описывает «сильное взаимодействие», самую мощную силу природы, в рамках которой частицы под названием глюоны удерживают вместе группы кварков.

КХД предсказывает тот самый вихрь, что наблюдался в экспериментах с рассеиванием. Сложности возникают потому, что глюоны подвержены тому же взаимодействию, переносчиками которого они являются. В этом они отличаются от фотонов, переносчиков более простого электромагнитного взаимодействия. Такая ситуация создаёт внутри протона бурлящую среду, в которой глюоны могут свободно возникать, размножаться и делиться на короткоживущие пары кварк-антикварк. Со стороны кажется, что близко расположенные кварки и антикварки с противоположными зарядами взаимно уничтожаются и поэтому не видны. И только несбалансированные «валентные» кварки – два верхних и один нижний – вносят вклад в общий заряд протона. Но физики поняли, что при попадании в протон более быстрых электронов они попадали в цели меньшего размера.

Но странности на этом не закончились.

Мэри Альберг, специалист по ядерной физике из Сиэттловского университета

Из-за взаимодействующих самих с собой глюонов в общем случае уравнения КХД решить нельзя, поэтому точные предсказания физики не могли и не могут делать. Однако причин считать, что глюоны предпочитают превращаться в пару кварк-антикварк определённого типа – нижнего – у них не было. «Мы ожидали, что разные типы кварков будут появляться в одинаковых пропорциях», — сказала Мэри Альберг, специалист по теоретической ядерной физике из Сиэттловского университета.

Неудивительно, что учёные были шокированы в 1991 году, когда коллаборация New Muon в Женеве провела рассеивание мюонов (более тяжёлых родственников электронов) на протонах и дейтронах (состоящих из одного протона и одного нейтрона), сравнила результаты, и получила, что в протонном море содержится больше нижних антикварков, чем верхних.

Части протонов

Вскоре теоретики выдвинули несколько возможных гипотез, объясняющих эту асимметрию.

Один из вариантов связан с пионами. Физики ещё с 1940-х годов наблюдают за тем, как протоны и нейтроны в ядре обмениваются пионами, будто баскетболисты – мячом. Это позволяет им оставаться связанными. Размышляя над протоном, исследователи поняли, что он тоже может перебрасываться мячом сам с собой – испускать и очень быстро поглощать положительно заряженный пион, превращаясь на этот краткий промежуток времени в нейтрон. «Если вы считаете, что экспериментируете с протоном, вы обманываетесь – часть времени протон меняется, превращаясь в пару нейтрон-пион», — сказала Альберг.

Конкретно, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку в этом призрачном пионе есть нижний антикварк (пиону с верхним антикварком не так-то легко материализоваться), теоретики (в частности, Альберг, Жеральд Миллер и Тони Томас), считают, что избыток нижних антикварков в протоне может объяснить идея облака пионов.

Появилось и несколько других теорий. Клод Боуррели с коллегами из Франции разработали статистическую модель, по которой внутренние частицы протона ведут себя как молекулы газа в закрытом помещении. Распределение их скоростей зависит от того, целый или полуцелый у них момент импульса. Если подставить в модель данные с различных экспериментов с рассеянием, модель предсказала избыток нижних антикварков.

Предсказания моделей различались. Большая часть массы протона происходит от энергии отдельных частиц, появляющихся и исчезающих в протонном море, а диапазон энергий у них довольно большой. Модели расходились в том, как должно измениться соотношение нижних и верхних антикварков по мере подсчёта антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют относительную величину под названием «доля импульса антикварка».

Когда в 1999 году в эксперименте NuSea в Фермилаб измерили соотношение количества нижних и верхних антикварков в зависимости от их импульса, «все остались в восторге», вспоминает Альберг. Из данных следовало, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что он находился почти на границе возможностей измерительных приборов) внезапно количество верхних антикварков стало значительно преобладать над количеством нижних. «Все теоретики говорили: минуточку, разве эта кривая не должна повернуть в другую сторону, когда антикварки получают большую долю импульса?» – сказала Альберг.

Пока теоретики ломали головы, Гизаман и Реймер, участвовавшие в эксперименте и понимавшие, что данным, полученным на границе чувствительности, иногда не стоит доверять, решили сделать собственный эксперимент, способный в комфортных условиях изучить большие диапазоны импульсов антикварков. Они назвали его SeaQuest.

Из секонд-хенда

Вопросов по поводу протонов было много, а денег – мало. Учёные начали собирать оборудование для эксперимента из бывших в употреблении частей. «Нашим девизом было: уменьшай, используй заново, перерабатывай», — сказал Реймер.

Они купили старые сцинтилляционные детекторы у какой-то лаборатории в Гамбурге, лишние детекторы частиц у Национальной лаборатории Лос-Аламоса, и защищающие от радиации металлические пластины, использовавшиеся в 1950-х годах в циклотроне в Колумбийском университете. Они смогли повторно использовать магнит размером с комнату от NuSea, и запускать эксперименты на имеющемся в Фермилаб протонном ускорителе. Получившийся монстр Франкенштейна обладал определённым шармом. Звуковой сигнал, оповещавший о наличии потока протонов в аппарате, был сделан 50 лет назад, сказал Браун, помогавший собирать оборудование. «Когда он пищит, у вас в животе появляется такое приятное ощущение».

Пол Реймер

Оборудование для эксперимента SeaQuest, собранного по большей части из бывших в употреблении частей

Шаг за шагом, им удалось заставить эксперимент работать. Протоны сталкивались с двумя мишенями – сосудом водорода, то, есть, по сути, с протонами, и с сосудом дейтерия – атомами, состоящими из одного протона и одного нейтрона.

Когда протон попадал в одну из целей, один из его валентных кварков иногда аннигилировался с одним из антикварков протона или нейтрона его цели. «У этой аннигиляции есть свои характерные признаки», — сказал Реймер. В ней появляются мюон и антимюон. После этого эти частицы и другой «мусор», появляющийся при столкновении, сталкиваются с металлическими пластинами. «Мюоны могут проходить их насквозь, а всё остальное они останавливают», — сказал он. Обнаруживая мюоны с другой стороны пластины, и воссоздавая их изначальную траекторию и скорость, «можно просчитать всё в обратную сторону и понять, какая доля импульса была у антикварков».

Поскольку протоны и нейтроны зеркально отображают друг друга – у каждого вместо нижних частиц одного есть верхние частицы другого, и наоборот – прямое сравнение данных, полученных с двух сосудов, сразу может дать вам отношение количества нижних антикварков к верхним антикваркам. Ну, не совсем сразу, а после 20 лет напряжённых вычислений.

В 2019 году Альберг и Миллер подсчитали, какую картину должен был увидеть SeaQuest, на основе идеи об облаке пионов. Их предсказание хорошо совпало с полученными данными.

Также новые данные соответствуют более гибкой статистической модели Боуррели и компании. График показывает постепенный рост упомянутого отношения, а потом его постоянную величину, без всяких внезапных поворотов. И всё же Миллер называет модель соперников «описательной, а не предсказательной», поскольку она подстроена так, чтобы подходить под данные, и не определяет физический механизм, отвечающий за избыток антикварков. «Чем я очень горжусь в наших вычислениях, так это правильно сделанным предсказанием, — сказала Альберг. – Мы никаких параметров не подкручивали».

Боуррели утверждает, что «у статистической модели есть больше возможностей, чем у модели Альберг и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты с рассеиванием, в которых есть и поляризованные, и не поляризованные частицы. Миллер активно возражает, отмечая, что облака пионов описывают не только антиматерию внутри протона, но и различные магнитные моменты частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связь, и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что механизм пионов «важен в широком смысле для существования ядер, и для нашего существования».

В попытках понять протон решающим фактором может оказаться его спин, или внутренний момент импульса. Эксперимент с рассеянием мюонов в 1980-х показал, что три валентных кварка в протоне отвечают не более чем за 30% его общего спина. «Спинный кризис протона» звучит так: что отвечает за оставшиеся 70%? И опять-таки, сказал Браун, старожил Фермилаб, «что-то ещё мы не учитываем».

Экспериментаторы будут и дальше зондировать протонное море – в Фермилаб, а потом и в планируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над подсчётами полного «мезонного облака», окружающего протоны, в которое, кроме пионов, входят также более редкие ро-мезоны. У пионов спина нет, зато он есть у ро-мезонов, поэтому они должны вносить свой вклад в общий спин протона; а как – это и хотят определить Альберг и Миллер.

Эксперимент SpinQuest в Фермилаб, в котором будут участвовать многие люди и приборы из тех, что отвечали за SeaQuest, уже «почти готов к запуску», сказал Браун. «Если повезёт, мы начнём получать данные уже этой весной. Всё будет зависеть от прогресса вакцины от вируса. Забавно, что такой глубокий и сложный вопрос о содержимом ядра атома зависит от того, как страна отреагирует на коронавирус. В нашем мире всё связано, не так ли?»