Физики впервые рассчитали вклад глюонов в протонный спин

Американские физики-теоретики («Коллаборация χQCD») впервые рассчитали вклад глюонов в суммарный спин протона. По данным ученых он составляет примерно половину абсолютной величины. Ранее экспериментальные методы показали, что вклад кварков соответствует примерно трети абсолютной величины протонного спина. Детали того, из чего складывается спин протона, до сих пор не известны, уточнить их помогут новые поколения электрон-ионных коллайдеров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко нем сообщает Physics.

Спином называют квантовую характеристику, угловой момент частицы. Он устроен таким образом, словно бы частицы-обладатели спинов быстро вращаются. Это приводит к тому, что вокруг заряженных частиц с ненулевым спином возникает магнитное поле. Так, пара электронов с противоположно направленными спинами ведут себя во внешнем магнитном поле по-разному, отклоняясь в противоположные стороны. Если попытаться оценить, с какой скоростью вращаются точки на «поверхности» частицы, то окажется, что она превышает скорость света, поэтому рассматривать спин с классической точки зрения нельзя. Про спин говорят, что это внутренне присущая характеристика. 

У частиц-фермионов — протонов, электронов — спин полуцелый, 1/2 в данном случае. У бозонов — фотона, глюона, бозона Хиггса — целый (0, 1, 2). Значение спина сильно влияет на свойства частиц. Оказывается, что идентичные по всем параметрам фермионы не могут находиться на одном энергетическом уровне, из-за этого на орбитали атома может быть только два электрона с разными спинами. Вместе с тем, на одном энергетическом уровне может быть сколько угодно бозонов.

Согласно современным представлениям, протоны — сложные составные частицы. Они состоят из тройки валентных кварков, двух верхних и одного нижнего. Эти кварки связаны между собой глюонным полем — интересно, что именно его энергия составляет порядка 99 процентов массы покоя протона. Если смотреть на протон в системе отсчета, в которой он движется с околосветовой скоростью (например, с точки зрения детектора Большого адронного коллайдера), окажется, что внутри протона рождаются в больших количествах виртуальные пары кварк-антикварк, причем общее количество кварков в протоне зависит от системы отсчета. Помимо легких верхних и нижних кварков могут рождаться и их виртуальные тяжелые «собратья» — очарованные или странные кварки. В дополнение к этому, море кварков протона окружено диффузным облаком пионов — простейших мезонов, состоящих из легких кварка и антикварка. 

Возникает вопрос о том, как спин поделен между всеми компонентами этой системы. Долгое время считалось, что он полностью определяется валентными кварками. Кварки — фермионные частицы, поэтому их спины равны 1/2. Суммирование спинов происходит с учетом их направлений. В 1989 году физики в CERN установили, что вклад кварков в суммарный спин протона составляет примерно треть, причем определяется целиком валентными кварками. Вклад моря виртуальных пар кварк-антикварк близок к нулю. За последние 30 лет ученым не удалось выяснить вклад остальных компонентов. Более того, существует спор между физиками, касающийся того, что из себя представляют эти другие компоненты. 

Простейшее разложение спина предполагает, что он разделен между собственными спинами кварков и глюонов, а также между их орбитальными моментами, связанными с движением частиц внутри протона. Подробнее прочитать о проблеме протонного спина можно здесь.

Одна из неизвестных величин — вклад глюонов. Они представляют собой бозоны сильного взаимодействия (оно, в частности, отвечает за удерживание протонов и нейтронов в ядре), а их спин равен единице. В 2015 году коллаборация PHENIX опубликовала результаты исследований на RHIC — релятивистском коллайдере тяжелых ионов. Физики сталкивали пучки протонов с различной поляризацией спинов: в части экспериментов спины сталкивающихся частиц были направлены в одну сторону, в части — в разные. По тому, как и в какую сторону разлетались осколки (в особенности, пионы) ученые определяли каков вклад поляризации глюонов в общей картине явления. Если бы глюоны не вносили вклад в спин протона, то между экспериментами с разной поляризацией сталкивающихся протонов почти не было бы разницы. В результате физики установили, что вклад глюонов может быть сопоставим со вкладом кварков.

Авторы новой работы впервые воспользовались последними достижениями решеточной квантовой хромодинамики — методики моделирования кварк-глюонных систем — для оценки вклада глюонов в спин протона. Она используется в тех случаях, когда необходимо описать систему с небольшими энергиями. Для упрощения непрерывное пространство-время в таких вычислениях заменяется дискретным, состоящим из ячеек с конечным размером. Возникает своеобразная решетка. Естественное ограничение решеточной квантовой хромодинамики — она позволяет рассматривать лишь частицы с моментом не менее некоторого заданного. Чем меньше размер ячейки в решетке, тем меньше этот момент, но тем сложнее вычисления. 

Физикам удалось включить в анализ легкие глюоны, момент которых составляет 5 процентов от момента протона. По данным вычислений глюонный спин ответственен за 0,251±0,047 единиц от полного спина протона (1/2) — то есть примерно за половину величины. 

Как отмечает Physics, эти результаты соотносятся с небольшим вкладом спина валентных кварков и создают самосогласованную картину, в которой спин протона состоит из вкладов глюонов, кварков и орбитального момента. В частности, к орбитальному моменту относится и орбитальный момент пионного облака. Дополнительный вклад могут вносить топологические эффекты. Детализировать спин протона помогут дополнительные экспериментальные и теоретические работы, использующие новые коллайдеры и большие вычислительные мощности. 

Ученые возлагают большие надежды на новый электрон-ионный коллайдер, строительство которого запланировано на базе Брукхейвенской национальной лаборатории или в Лаборатории Джефферсона. Он позволит улучшить точность экспериментальных данных, включив в рассмотрение глюоны, которые несут всего 0,1 процента от общего момента протона. Кроме того, ожидается, что с его помощью физики смогут измерить орбитальные вклады от «вращения» частиц в протоне.

Владимир Королёв