Физики измерили асимметрию антикварков внутри протона

Группа физиков представила результат обработки большого количества данных, полученных в рамках эксперимента SeaQuest по рассеянию пучка протонов на водородных и дейтериевых мишенях. Цель эксперимента — исследование асимметрии в распределении верхних и нижних антикварков внутри протона. В результате физики обнаружили, что нижних антикварков в среднем почти в полтора раза больше, чем верхних. Работа опубликована в Nature.

Отличительной чертой сильного взаимодействия — одного из четырех фундаментальных взаимодействий, которое ответственно за формирование протонов, нейтронов и других адронов — считается его общая непертурбативность, то есть такая ситуация, когда попытка построить теорию с помощью разложения в ряд по некоторому малому параметру невозможна. Этим сильное взаимодействие отличается от, например, электромагнитного, где таким параметром выступает постоянная тонкой структуры. Малость этой константы обеспечивает хорошую сходимость в квантовой электродинамике, что делает эту теорию одной из самых точных в физике.

По этой причине точность, с которой мы можем разобраться с деталями процессов, происходящими с кварками, антикварками и глюонами (всех их называют термином «партоны») внутри адронов, сильно уступает точности, которые доступны в атомной физике. Кроме того, изучать кварки экспериментально мешает конфайнмент, который не дает им существовать в свободном состоянии, и исследовать партоны получается только с помощью косвенных экспериментов, например, по глубоко неупругим столкновениям частиц.

Одним из таких экспериментов стала программа SeaQuest (E906), организованная в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, обработка данных с которого теперь представлена коллаборацией физиков из Израиля, Тайваня, США и Японии при участии Пола Раймера (P. Reimer). В частности, в эксперименте исследовались процессы Дрелла-Яна при пропускании пучка высокоэнергетических протонов через водородные и дейтериевые мишени.

Процессы Дрелла-Яна наблюдаются в адрон-адронных столкновениях и представляют собой реакцию, при которой кварк одного адрона аннигилирует с антикварком из другого адрона с образованием виртуального фотона, который впоследствии распадается на пару лептон-антилептон. Полезным свойством такого типа процессов стало то, что изучая их сечение рассеяния можно получить информацию о распределении антикварков в адроне.

Первоначальная модель протона (физики называют ее «наивной») описывала его как систему только из трех кварков — двух верхних и одного нижнего. Однако последующее изучение сильного взаимодействия показало, что такое представление далеко от действительности. Оказалось, что массу, спин и импульс протона формирует не только три валентных кварка, но еще и глюоны, и разнообразные кварк-антикварковые пары. Их рождение и уничтожение — это виртуальный процесс. Это означает, что он происходит внутри протона повсеместно и постоянно, и никогда не прекращается, но при этом невозможно точно сказать, где и когда он начинается и заканчивается. Из-за перманентного и повсеместного характера таких процессов, совокупность рождающихся в них кварков и антикварков назвали морем кварков, по аналогии с морем Дирака, описывающим электроны и позитроны.

В начале 90-х годов стали появляться первые экспериментальные свидетельства тому, что верхние и нижние антикварки рождаются в адронах с разной вероятностью. Так, коллаборация NuSea (E866), которая также базировалась в лаборатории Ферми, обнаружила такую асимметрию для небольшого кинематического диапазона, составляющего 0,015 < x < 0,35, где x — это доля импульса протона, переносимая антикварком. При этом для бо́льших долей импульса физики из NuSea ограничились предположением о том, что асимметрия будет исчезать.

Эксперименты, проведенные коллаборацией SeaQuest, должны были подтвердить, либо опровергнуть это предположение. Для этого пучок протонов с энергией 120 гигаэлектровольт был сфокусирован магнитами на мишени из жидкого водорода и жидкого дейтерия. Эксперимент был оптимизирован так, чтобы исследовать антикварки в кинетическом диапазоне вплоть до 0,4. Для этого физики детектировали мюон-антимюонные пары.

В качестве величины, которая непосредственно измерялась в эксперименте, использовалось отношение сечения рассеяния на дейтерии к удвоенному сечению рассеяния на водороде. Физики извлекали из нее информацию об асимметрии в виде отношения функций распределения нижнего кварка к функции распределения верхнего кварка. Они делали это с помощью методов решеточной квантовой хромодинамики на основе нескольких наборов данных о функциях распределения партонов, полученных на Большом адронном коллайдере. В результате обработки с помощью самого свежего набора CT18 авторы обнаружили, что в исследуемом кинематическом диапазоне нижних антикварков в среднем все еще в полтора раза больше, чем верхних.

Сам факт наличия такой асимметрии в протоне принято объяснять эффектом блокировки Паули, который заключается в том, что валентные кварки подавляют рождение части виртуальных кварк-антикварковых пар за счет одноименного принципа запрета. Однако кинематические свойства этой асимметрии до сей поры являлись предметом дискуссий. Новые данные позволяют сузить диапазон теорий, пытающихся объяснить динамику кварков и глюонов в адронах. Группа планирует продолжить свои эксперименты, чтобы понять, насколько большой вклад вносят антикварки в спин протона.

Несмотря на все сложности в описании и измерении глюонов и кварков, физики добились в этом существенного прогресса. В частности, ранее им уже удалось понять, из чего складывается спин и масса протона.

Марат Хамадеев