Поляризуемость протона измерили для малых передаваемых импульсов

Физики из 12 стран сообщили об измерении поперечно-продольной спин-зависимой и цветовой поляризуемостей протона для области малых передаваемых импульсов. Для этого они меняли ориентации спинов электронов и мишени из твердого аммиака в экспериментах по рассеянию низкоэнергетических электронных пучков. Результаты эксперимента помогли отсеять теоретические модели, описывающие такое рассеяние. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Большинство обычной материи во Вселенной существует в виде протонов. Несмотря на это, наше понимание того, как устроена эта частица и как формируются ее масса и спин, пока далеко от полного. Одной из причин этого стал специфичный характер взаимодействия между кварками, известный как асимптотическая свобода. Эта концепция подразумевает, что связь между этими партонами стремится к нулю при сокращении расстояния между ними.

На практике это проявляет себя в результатах рассеяния на протонах (как правило, электронов), производимого в лабораториях. Особый интерес при этом представляет взаимодействие спин-поляризованных частиц. Короткому расстоянию взаимодействия соответствуют высокие значения переданного в результате удара импульса. Исследуя этот регион, физики получают хорошее согласие с предсказаниями, сделанными с помощью пертурбативных теорий, то есть теорий, допускающих разложение уравнений в ряды по малым параметрам, где в роли нулевого члена выступает представление о  протоне лишь как о тройке кварков (так называемая «наивная» модель). 

Диапазон малых передаваемых импульсов же лишен этой простоты. Константы связи в таком режиме растут, делая разложение в ряд невалидным. Проблемы возникают и у экспериментаторов: рассеяние медленных электронов на спин-поляризованных протонах страдает от искажений, вызванных действием магнитного поля, индуцированным поляризацией, что привносит слишком большие систематические ошибки.

Первые, достаточно точные результаты экспериментов по рассеянию обнаружили расхождения с оценками, сделанными в рамках существующих теоретических моделей. Все это подстегнуло как развитие новых моделей, так и усовершенствование установок для более точных измерений. Одними из самых важных наблюдаемых при этом считаются поперечно-продольная спин-зависимая поляризуемость и цветовая поляризуемость протона. Первая отвечает за вклад в отклик нуклонов на электромагнитное поле, обусловленный их спин-поляризацией. Вторая величина помогает описать, как цветовые электрические и магнитные поля (так называют глюоны определенных поляризаций) взаимодействуют со спином нуклона.

Об измерении этих величин сообщила недавно большая коллаборация физиков из 12 стран при участии Рут Дэвис (Ruth Davis) из Университета Нью-Хэмпшира. Реконструкция поляризуемостей, проведенная учеными, базировалась на извлечении спин-зависимых структурных функций из данных по сечению рассеяния поляризованных электронов на поляризованных протонах. Структурные функции – это способ представления состава и процессов, протекающих внутри нуклонов, в контексте рассеяния на них налетающих частиц. Для протона физики выделяют из структурной функции часть, чувствительную к направлению спина протона, которую, в свою очередь, делят на вклады от «наивной» части g₁ и кварк-глюонных корреляций g₂. Зная вклады от функции g₁, полученные путем расчетов или в отдельных экспериментах, и измеряя сечение рассеяния поляризованных электронов, можно восстановить функции g₂ и вычислить нужные поляризуемости.

Эксперимент, легший в основу текущей работы, был проведен в Лаборатории Джефферсона. Физики измеряли рассеяние электронных пучков на мишени из твердого аммиака. Электроны были поляризованы параллельно своему движению, при этом ученые ориентировали их спины как вперед, так и назад. Спины протонов в мишени они также могли менять с помощью магнитного поля: либо параллельно, либо перпендикулярно спинам электронов. В последнем случае физики регистрировали два отдельных сигнала, соответствующих разному переданному импульсу, при одной энергии пучка из-за отклонения траектории электронов. Суммарно авторы получили данные для пяти значений переданного импульса (точнее, его квадрата) в диапазоне от 0,02 до 0,13 квадратных гигаэлектронвольт для поперечной поляризации мишени и одно значение для продольной поляризации.

После обработки результатов ученые построили спин-зависимые структурные функции g₂ для значений инвариантной массы выше порога рождения пионов, равного 1073,2 мегаэлектронвольт. Используя данные о функциях g₁, полученные на этом же ускорителе ранее, а также другой группой физиков, они построили спин-зависимую и цветовую поляризуемости протона для различных переданных импульсов. Сравнивая свой результат с теоретическими предсказаниями, сделанными различными группами, ученые смогли указать, какая из моделей точнее предсказывает эксперимент. В частности, он опровергает предположение о том, что разница в массах протона и резонанса Δ(1,232) сопоставима с массой пиона.

Ранее мы рассказывали, как электронное рассеяние на легчайших зеркальных ядрах помогает исследовать протон-протонные и протон-нейтронные пары.