Физики уточнили вклад «ядерного клея» в спин протона

Международная коллаборация физиков PHENIX получила новые данные о вкладе в спин протона глюонов — специальных частиц, ответственных за «склеивание» между собой кварков. Исследование является следующим шагом в разрешении «кризиса протонного спина» и уточняет роль переносчиков сильных взаимодействий в формирование фундаментальных свойств материи. Работа опубликована (препринт) в журнале Physical Review D, кратко о ней сообщает пресс-релиз Брукхэвенской национальной лаборатории.

Собственным угловым моментом или спином называется специальная квантовая характеристика, чаще всего отождествляемая в научно-популярной литературе с направлением вращения частицы. Но это сравнение не вполне корректно: если заменить протон классическим объектом, например, шариком аналогичной массы и радиуса, то несложные вычисления покажут, что точки на его поверхности движутся со сверхсветовой скоростью. Несмотря на квантовость, и величина и направление спина влияют на вполне конкретные физические явления — отклонение траектории в магнитном поле и на поведение частиц в крупных системах. Для протона спин равен 1/2.

По современным представлениям, протоны состоят из кварков, связанных между собой глюонами, своеобразным «ядерным клеем». Поэтому суммарный спин протона должен представлять собой некую сумму угловых моментов объектов, из которых он состоит. К примеру, в состав покоящегося протона входят три кварка (два u-кварка и один d-кварк), каждый из которых несет спин 1/2. Ранее ученые считали что один из этих компонентов просто «вращается» в другую сторону, что объясняло суммарный угловой момент в 

(1/2) + (-1/2) + (1/2) = 1/2.

Однако в 1989 году коллаборация EMC (European Muon Collaboration) опубликовала исследование, согласно которому суммарный спин кварков в протонах вносит лишь небольшой вклад, он может быть даже нулевым. Иначе говоря, спиновая поляризация («направленность») протона не обязательно приводит к поляризации кварков.  В тот момент возник «кризис протонного спина» — физикам предстояло выяснить кто ответственен за большую часть углового момента протона. Здесь стоит отметить важный момент — количество кварков и глюонов, из которых состоит протон, относительная величина и меняется в зависимости от того, из какой системы отсчета мы смотрим на протон. Чем быстрее для нас движется протон и чем больше его энергия, тем из большего количества частиц, как нам кажется, он состоит.

Дальнейшие работы уточнили, что кварки все же вносят некоторый вклад в спин протона, но он не достигает 30 процентов общего. Физики предположили, что остальной вклад могут вносить глюоны, угловым моментом которых пренебрегали в ранних расчетах. Для того, чтобы измерить его, необходимо было поставить эксперимент, в котором свойства «ядерного клея» играли бы решающую роль. Один из таких экспериментов предложили провести на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхэвенской национальной лаборатории — до 2010 года самом мощном коллайдере тяжелых ионов в мире. 

В эксперименте ученые сталкивали между собой пучки протонов с четко заданными направлениями спинов. В первой серии столкновений спины в пучках были сонаправлены. Затем один из пучков «переворачивали» и следили за тем как меняется характер осколков от столкновения частиц. В частности, физики следили за темпами рождения в столкновениях нейтральных пионов. В этом процессе активно участвуют глюоны, поэтому если их вклад в спин протона существенен, то «пререворачивание» пучка приведет к значительным изменениям в свойствах пионов — их импульсах и траекториях.

Первые результаты экспериментов были опубликованы в 2014 году — тогда ученым удалось доказать, что вклад глюонов велик и может достигать по величине вклад кварков. Тогда столкновения проводились при энергиях до 200 гигаэлектронвольт. В новой работе физики подняли энергию в два с половиной раза — до 510 гигаэлектронвольт. Авторы сравнивают увеличение энергии столкновений с использованием более сильного микроскопа, позволяющего увидеть более тонкие эффекты. Согласно препринту, это вносит дополнительные ограничения на глюонный вклад, однако ученые ссылаются на внутреннюю переписку с научной группой DSSV (de Florian—Sassot—Stratmann—Vogelsang) — точные данные не приводятся.

В угловом моменте протона существует и третий компонент — вклад орбитального углового момента. Физический смысл этой величины состоит в следующем: подобно электронам в атоме, глюоны и кварки могут вращаться внутри протона. Оценить эту величину экспериментально гораздо сложнее. Кроме того, физики-теоретики неоднозначно трактуют эту величину, что послужило причиной серьезных споров в научной среде.

Владимир Королёв