Физики нашли осцилляции в электромагнитном форм-факторе нейтрона

Коллаборация BESIII представила результаты измерения сечения процесса, в результате которого электрон и позитрон превращаются в нейтрон-антинейтронную пару. Вычислив соответствующий электромагнитный форм-фактор, они обнаружили осцилляции, которые свидетельствуют о более сложной структуре нуклонов. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Несмотря на то, что нейтрон был открыт почти 90 лет назад, физики до сих пор плохо представляют себе его структуру. Ее понимание играет важную роль в расчетах радиусов нейтронных звезд, а также при описании фазовых переходов кварк-глюонной материи. Построение из первых принципов точной модели, описывающие устройство протона и нейтрона, упирается в слишком сильное взаимодействие и самодействие кварков и глюонов и позволяет получить лишь качественные результаты.

Некоторыми намеками на то, как устроены нуклоны, стали разнообразные аномалии и нестыковки между отдельными экспериментами. К их числу можно отнести загадки радиуса и спина протона, а также отрицательное значение среднеквадратичного зарядового радиуса нейтрона. Неожиданными оказались также результаты по превращению электрон-позитронных пар в нуклон-антинуклонные. В частности, физики увидели, что вопреки существующим моделям протон-нейтронное взаимодействие оказывается сильнее, чем протон-протонное, а также обнаружили осциллятивное поведение электромагнитного протонного форм-фактора.

Физики из коллаборации BESIII продолжили работу в этом направлении, увеличив точность эксперимента по превращению электрон-позитронных пар в нейтрон-антинейтронные, проведенного в Институте физики высоких энергий в Китае. Результаты их работы нивелируют аномалию, связанную с балансом между протон-нейтронным и протон-протонным взаимодействием, но при этом демонстрируют осцилляции нейтронного форм-фактора.

Форм-фактор — это функция, которая помогает понять то, как устроен нуклон. Нуклоны слишком малы, чтобы их структуру можно было бы изучать напрямую. Единственный доступный на сегодня метод — это взаимодействие с другими частицами, например, фотонами. Результат такого взаимодействия, выражаемый через измеряемое в эксперименте сечение процесса, зависит от того, сколько энергии и импульса при этом передано. Соответствующий форм-фактор при этом играет роль связующего звена между сечением и структурой частицы.

Авторы проводили серию столкновений на симметричном электрон-позитронном коллайдере в диапазоне энергий от 2 до 3,08 гигаэлектронвольт. От предыдущих исследований их работу отличает повышенная светимость (то есть, повышенное количество столкновений в реакторе, куда выводятся разогнанные коллайдером частицы) и большее число точек на шкале энергий (18 значений). Установка была оптимизирована для целей коллаборации BESIII с помощью CsI(Tl)-калориметров, измеряющих энергии частиц, и системы сцинтилляционных стержней, измеряющих их время пролета. Кроме того, установка содержала в себе счетчик мюонов для учета шума, создаваемого космическим излучением.

Важным этапом работы стал учет всевозможных шумов. К ним относятся неотфильтрованное космическое излучение, процессы, связанные с распространением лептонных пучков, а также вклады от других каналов реакции, в которой образуется сразу несколько адронов. Для каждого из сценариев возникновения сигнала физики выполняли подгонку экспериментальных данных с помощью метода максимального правдоподобия, где в роли параметров выступали разница между наблюдаемым и теоретическим временем пролета нейтрона и угол разлета нейтрона и антинейтрона. Результат подгонки позволил им вычислить истинное число событий, которое позволило вычислить сечение процесса и, соответственно, форм-фактор.

Опираясь на эксперимент по превращению электрон-позитронных пар в протон-антипротонные, который коллаборация BESIII провела ранее, авторы смогли сравнить оба процесса. В частности, они вычислили отношение нейтрон-антинейтронных сечений к протон-антипротонным, которое оказалось ниже единицы практически во всем диапазоне энергий. Это противоречит результатам их коллег, однако согласуется с теорией, которая предсказывает, что протон-протонное взаимодействие должно быть сильнее, чем протон-нейтронное.

Ученые также изучили зависимость форм-фактора от переданного 4-импульса. Вычтя из нее дипольный вклад, они обнаружили осцилляции, подобные тем, что были обнаружены для протонов в другом эксперименте. Оказалось, что оба типа осцилляций описываются одним набором параметров и разностью фаз, равной 125 ± 12 градусов, с достоверностью 5σ. Результаты свидетельствуют о более сложной внутренней нуклонной динамике, которая могла бы быть объяснена с помощью интерференционных эффектов при перерассеянии или наличием дополнительных резонансов.

Форм-факторы играют ключевую роль для понимания процессов, происходящих в нуклонах. Ранее они помогли рассчитать давление и касательные напряжения протона, а также измерить его массовый радиус.

Марат Хамадеев