Физики установили новые ограничения на радиус кварков

Детектор ZEUS, установленный на коллайдере HERA

Grzegorz Gach / ZEUS

Физики из международной коллаборации ZEUS опубликовали новые данные по ограничениям на эффективный радиус кварков. Ученым удалось в два раза усилить ранний результат — по новым данным эта величина не превосходит 0,43 аттометра (эта величина в два миллиарда миллиардов раз меньше метра). Для сравнения, зарядовый радиус протона составляет 0,84 фемтометра — в две тысячи раз больше. Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B, с текстом статьи можно ознакомиться в препринте.

Под эффективным радиусом в данном случае понимается специальная характеристика, которая показывает, каков пространственный масштаб внутренней структуры частицы. Стоит отметить, что на масштабах, о которых идет речь, говорить о некотором реальном радиусе, который мы можем приписать макроскопическому объекту, нельзя. Различить какие-либо внутренние свойства помешает принцип неопределенности Гейзенберга — он же не позволит просто локализовать частицу.

Зная эффективный радиус и количество кварков, которые находятся в заданном объеме пространства, можно предсказать вероятность того, провзаимодействует ли с ними частица, пролетающая сквозь этот объем. И наоборот, определив вероятность столкновений можно получить ограничения на эффективный радиус — аналогичный по смыслу эксперимент Гейгера—Марсдена позволил Резерфорду обосновать планетарную модель атома и определить радиус ядра атома золота. В нем через тонкую золотую фольгу ученые пропускали поток электронов и альфа-частиц и исходя из статистики отклонения частиц изучали свойства атомов золота.

В новой работе роль золотой фольги (объема пространства ,в котором расположены изучаемые объекты) играли протоны — частицы, наряду с нейтронами, составляющие ядра атомов. Согласно современным моделям, внутри протона есть два типа частиц — кварки (один нижний и два верхних) и глюоны, переносчики сильного взаимодействия. Кварки внутри протона соответствовали ядрам атомов золота в эксперименте Гейгера—Марсдена. 

Исследователи изучали результаты столкновения электронов с протонами. Взаимодействия между электронами и кварками во многом определяются зарядами частиц, поэтому авторы работы искали характерные размеры неоднородностей в том, как распределен заряд внутри протона.

Статистика столкновений между электронами (и позитронами) с протонами была собрана на ныне закрытом ускорительном эксперименте HERA. Ранее исследователи уже предпринимали попытки выяснить радиус кварков на основе этих данных, но при этом использовалась лишь часть собранных данных. В новой работе физики использовали объединенную статистику, набранную коллайдером за все время его работы — 1994-2007 годы. При этом исследователи использовали в своих расчетах модель, которая допускает вклады каких-либо новых механизмов, лежащих вне Стандартной модели.

В результате физики получили ограничения на величину квадрата радиуса кварков:

−(0.47·10−16 см)2 < R2q < (0.43·10−16 см)2

Отрицательные величины квадрата радиуса кварка могут возникнуть в тех ситуациях, когда в исследуемой зарядовой плотности знак заряда меняется с изменением радиуса. Новые ограничения оказались в два раза «строже» полученных при первом анализе данных: на меньшей выборке исследователи получили ограничение в 0,85 аттометра. 

Радиусы субатомных частиц вычисляются на основе того, как они взаимодействуют с другими объектами. К примеру, самые точные на сегодняшний день данные о радиусе протона были получены при изучении атома мюонного водорода. В этой частице вокруг протона вращается тяжелый аналог электрона — мюон. Поскольку орбитали мюонов гораздо меньше электронных, их изучение позволяет обнаружить факт неточечности ядра — протона, в случае мюонного водорода.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.