Физики разглядели искажения кварк-глюонной структуры нуклонов внутри атомных ядер

Группа CLAS обнаружила корреляцию между эффектом EMC и образованием скоррелированных пар нуклонов внутри атомного ядра. Другими словами, физики подтвердили, что большую часть времени кварк-глюонная структура нуклонов ядра совпадает со структурой свободных нуклонов, однако время от времени нуклоны объединяются в пары, которые уменьшают сечение глубоко-неупругого рассеяния электронов на ядре. Кроме того, работа ученых указывает на возможные ошибки в интерпретации нейтринных экспериментов, которые ищут «новую физику» и нарушения CP-инвариантности. Статья опубликована в Nature.

Чтобы разглядеть внутреннюю структуру атомных ядер, физики сталкивают их с другими частицами — например, электронами, — а потом анализируют разлетевшиеся «осколки». Чем выше энергия и импульс частиц, которыми ученые прощупывают ядро, тем более мелкие детали удается различить в получившейся картине. Например, при энергии электронов порядка 1–2 гигаэлектронвольт столкновение происходит в упругом режиме (то есть после него не рождаются новые частицы), и наблюдателю кажется, будто ядро состоит из отдельных нуклонов (протонов и нейтронов). Однако при более высоких энергиях электроны глубоко проникают в частицы, и в нуклонах удается разглядеть отдельные кварки. Такие реакции называют глубоко-неупругим рассеянием. Подробнее про исследование внутренней структуры частиц можно прочитать в статье Игоря Иванова «Многоликий протон».

Более того, такие исследования показывают, что нуклоны внутри атомных ядер не просто состоят из отдельных кварков, но и отличаются от свободных нуклонов. Первой это отличие заметила около 35 лет назад группа EMC (European Muon Collaboration, CERN), проводившая эксперименты с ядрами железа и дейтерия. В этих экспериментах ученые обнаружили, что сечение (грубо говоря, вероятность) глубоко неупругого рассеяния электронов на атомном ядре немного не дотягивает до сечения аналогичного процесса, в котором ядро заменено набором несвязанных нуклонов. Величина этого эффекта, который в честь первооткрывателей назвали EMC-эффектом, для некоторых ядер достигает 20 процентов. Очевидно, EMC-эффект указывает на то, что кварк-глюонная структура нуклона внутри ядра искажается под действием окружающих его частиц.

К сожалению, до сих пор физики так и не смогли однозначно связать это искажение с уменьшением сечения глубоко-неупругого рассеяния. В настоящее время существуют два типа теорий, которые объясняют эффект EMC. Первый тип предполагает, что структура нуклонов постоянно искажается за счет связи с другими нуклонами. Второй тип, напротив, утверждает, что большую часть времени нуклоны ядра совпадают со свободными, однако время от времени они объединяются в близко-скоррелированные пары (short range correlated, SRC), импульс которых превышает импульс Ферми. При этом частицы, которые образуют такие пары, «боятся» друг друга — вероятность образования нейтрон-нейтронной или протон-протонной пары пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью протон-нейтронных пар. Кроме того, вероятность образования протон-нейтронной пары пропорциональна суммарному числу нейтронов и обратно пропорциональна суммарному числу протонов ядра. К сожалению, существующие экспериментальные данные не способны различить две этих модели.

Физики из Лаборатории Джефферсона измерили корреляции между образованием SRC-пар и эффектом EMC, тем самым подтвердив вторую гипотезу. Для этого ученые рассеивали электроны с энергией пять гигаэлектронвольт на мишени из жидкого дейтерия, за которой следовала тонкая фольга. В качестве материала для фольги ученые выбирали углерод, алюминий, железо или свинец. Затем исследователи отслеживали траектории и параметры электронов, рассеянных на ядрах атомов фольги, с помощью детектора CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer), который охватывал широкий диапазон энергий и углов разлета. Это позволяло ученым измерять сечение как упругого, так и глубоко-неупругого рассеяния. Чтобы уменьшить вероятность случайных погрешностей, в каждом эксперименте ученые нормировали сечение процесса с участием ядер фольги на сечение аналогичного процесса с ядрами дейтерия.

С помощью размерных оценок можно получить, что сечение глубоко-неупругого рассеяния электрона на нуклоне выражается через универсальную функцию F(x_B, Q²), которая зависит от параметра Бьёркеновского скейлинга x_B и квадрата 4-импульса Q, переданного частице. Грубо говоря, параметр x_B определяет долю импульса, который переносил участвующий в рассеянии кварк, к полному импульсу нуклона. Следовательно, функция F(x_B, Q²) — а вместе с ней и сечение рассеяния — описывает распределение импульсов кварков внутри нуклона. С одной стороны, когда нуклоны образуют SRC-пару, распределение кварков внутри них изменяется, и вместе с ним изменяется среднее сечение рассеяния электронов на нуклоне ядра. В то же время, другие ядерные эффекты — например, образование скоррелированных троек — искажают это распределение гораздо слабее. Поэтому вероятность образования SRC-пар можно оценить по средней вероятности упругого рассеяния при больших импульсах и значениях параметра скейлинга (Q² > 1,5 гигаэлектронвольт и 1,45 < x_B < 1,9). С другой стороны, величина эффекта EMC определяется по наклону сечения глубоко-неупругого рассеяния в диапазоне 0,3 < x_B < 0,7.

Измеряя величину эффекта EMC и вероятность образования SRC-пар, ученые установили несколько закономерностей. Во-первых, эффекты оказались скоррелированы. Во-вторых, чтобы получить линейную корреляцию, нужно учесть поправки на разницу между числом нейтронов и протонов ядра. В-третьих, интенсивность обоих эффектов, усредненная по числу протонов ядра, растет одновременно с его атомной массой, тогда как усредненные по числу нейтронов интенсивности насыщаются уже на углероде (A = 12). Эти наблюдения подтверждают гипотезу, что большую часть времени кварк-глюонная структура нуклонов ядра совпадает со структурой свободных нуклонов, а эффект EMC возникает динамически.

Кроме того, последнюю из обнаруженных закономерностей можно интерпретировать как усиление эффекта EMC на протонах по сравнению с эффектом EMC на нейтронах ядра. Поскольку протон содержит два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон — два d-кварка и один u-кварк, это указывает на то, что нуклон-нуклонное взаимодействие сильнее сказывается на распределении u-кварков. Поскольку нейтрино преимущественно рассеиваются на d-кварках, а антинейтрино — на u-кварках, сечения глубоко-неупругого рассеяния нейтрино и антинейтрино на асимметричных ядрах будет отличаться. Такое отличие может быть неверно интерпретировано как нарушение CP-симметрии или «новая физика». В частности, подобная аномалия уже наблюдалась в эксперименте NuTeV, который работал с несимметричными ядрами железа-56, и будет наблюдаться в будущем в более точном эксперименте DUNE, также использующем несимметричные ядра аргона-40. Таким образом, работа ученых не только помогла разобраться в строении нуклонов атомных ядер, но и указала на возможные ошибки в других экспериментах.

В августе прошлого года мы уже писали, как физики из Лаборатории Джефферсона измерили корреляции между протонами и нейтронами в ядрах тяжелых изотопов. Тем не менее, тогда ученые не смогли связать эти корреляции с эффектом EMC. Кроме того, в прошлом году исследователи из этой лаборатории «просканировали» внутренности протона с помощью глубоко-виртуального комптоновского рассеяния и оценили давление внутричастицы. Оказалось, что в центре протона давление достигает 10³⁵ паскалей, что превышает давление внутри самого плотного объекта во Вселенной — нейтронной звезды.

Дмитрий Трунин