Группа STAR показала, что вклад морских u-антикварков в спин протона больше, чем вклад морских d-антикварков, хотя вероятность рождения u-антикварков ниже. Для этого ученые измерили асимметрию вперед-назад для W±-бозонов, рождающихся в столкновениях поляризованных пучков протонов, и пересчитали ее в отношение средних спинов морских антикварков разного аромата. Статья опубликована в Physical Review D.
При низких энергиях протон ведет себя как «полноценная» частица, однако на самом деле он состоит из более легких частиц, причем его внутренний состав довольно сложен. Во-первых, протон содержит два u-кварка и один d-кварк, которые физики называют валентными кварками. Во-вторых, кварки «склеены» друг с другом глюонным полем. В-третьих, при распаде глюонов постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные пары кварк-антикварк — так называемые морские кварки. В основном в «кварковом море» преобладают легкие u- и d-кварки, однако иногда в нем встречаются и более тяжелые частицы. При больших энергиях эта картина еще больше усложняется, поскольку виртуальные кварки и глюоны начинают вести себя как «настоящие» частицы — в частности, независимо участвуют в процессах рассеяния. Подробнее про состав протона можно прочитать в статье «Многоликий протон».
Когда физики догадались до такой сложной внутренней структуры протона, у них возник логичный вопрос: какой вклад различные составляющие вносят в характеристики протона как «полноценной» частицы? В частности, из чего складывается его спин? Долгое время считалось, что спин протона полностью складывается из валентных кварков: два кварка смотрят в одну сторону, один — в противоположную. Напомним, что спины протона и кварков равны ½, поскольку все эти частицы являются фермионами. Однако в 1989 году физики из ЦЕРН выяснили, что эта картина верна только для покоящегося протона, тогда как при больших энергиях спин валентных кварков не превышает ⅓ от спина протона. Объяснить этот результат физики-теоретики не могли, а потому сложившуюся ситуацию назвали «кризисом спина протона» (proton spin crisis). В каком-то смысле, этот кризис до сих пор остается неразрешенным, поскольку измерить вклады остальных компонент ученые до сих пор не смогли.
В частности, важно выяснить, какой вклад в спин дают морские кварки разных ароматов (типов). Вообще говоря, ожидалось, что виртуальные пары u- и d-кварк-антикварк рождаются с одинаковой вероятностью, поскольку физики не знают причин, по которым глюоны могут предпочитать какой-то из этих ароматов. Тем не менее, несколько лет назад группа STAR, работающая на коллайдере тяжелых ионов RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider), обнаружила, что морских d-антикварков в протоне больше, чем морских u-антикварков. Эта находка заставила ученых задуматься о возможной асимметрии между вкладами морских антикварков разного аромата в спин протона. Казалось бы, можно было ожидать, что d-антикварки, которых в целом больше, вносят более существенный вклад.
Группа STAR измерила эту асимметрию и неожиданно получила противоположный результат: вклад u-антикварков в спин протона больше вклада d-антикварков. Для этого ученые проанализировали данные коллайдера RHIC по столкновениям поляризованных и не поляризованных пучков протонов, собранные в 2013 году. Энергия пучков в системе центра масс составляла 510 гигаэлектронвольт, а суммарная светимость данных составила примерно 250 обратных пикобарн.
Чтобы сравнить вклады в спин антикварков разных ароматов, физики измерили асимметрию вперед-назад для W±-бозонов, рождающихся в столкновениях протонов. Другими словами, ученые измерили сечение процессов, в пучок протонов был поляризован положительно (σ+) или отрицательно (σ−), а затем разделили разницу сечений на сумму и получили значение асимметрии. Разумеется, измерить эти сечения напрямую невозможно, поскольку W-бозоны быстро распадаются, однако их можно однозначно восстановить по сечениям и направлениям электронов или позитронов, которые рождаются в ходе распадов. Подробнее про асимметрию вперед-назад можно прочитать в лекциях по теории электрослабых взаимодействий (лекция 5). Затем физики учли, что полученные значения асимметрии для W− и W+-бозонов в ведущем порядке выражаются через распределения спинов u-кварков, d-кварков и соответствующих антикварков. Более того, для ультрарелятивистских W-бозонов можно пренебречь вкладами антикварков, а для медленных бозонов — вкладами кварков. Следовательно, по асимметрии медленных бозонов можно однозначно восстановить асимметрию между вкладами спинов антикварков. Кроме того, к этим данным исследователи добавили данные об электронах, которые вылетают перпендикулярно линии столкновения и похожим образом связаны с суммой распределений спинов антикварков.
Оказалось, что на энергии порядка трех гигаэлектронвольт и при значениях частичного преданного импульса x менее 0,25 четко различима асимметрия между вкладами u-антикварков и d-антикварков в спин протона. При этом вклад u-кварков больше, хотя в среднем вероятность их рождения меньше. К сожалению, сказать об абсолютных значениях вкладов эксперимент не позволяет. Тем не менее, ученые считают, что этот результат позволяет лучше понять место морских кварков в составе протона — в частности, он показывает, что вклад морских кварков, который ранее считался пренебрежимо малым, может оказаться гораздо заметнее.
В феврале 2016 года группа PHENIX уточнила вклад глюонов в спин протона, отталкиваясь от измерений на коллайдере RHIC, и подтвердила, что этот вклад положителен. В марте 2017 группа χQCD впервые рассчитала вклад глюонов теоретически в рамках решеточной КХД. В результате ученые получили, что суммарный спин глюонов равен примерно половине спина протона.
Еще один интересный вопрос, связанный с составом протона, — это его масса. Так же, как и в случае спина, валентные кварки обеспечивают сравнительно небольшую часть массы этой частицы. Согласно последним теоретическим расчетам, выполненным в рамках решеточной КХД, энергия покоя кварков обеспечивает около 9 процентов массы протона, кинетическая энергия — 32 процента, напряженность глюонного поля — 36 процентов, а аномальный вклад, связанный с тяжелыми кварками, — 23 процента. Впрочем, эти расчеты еще предстоит проверить в прямых экспериментах.
Дмитрий Трунин