Для этого они изучали виртуальное комптоновского рассеяние, которое сопровождает взаимодействие между электронами и протонами
Большая группа физиков уточнила зависимость электрической и магнитной поляризуемости протона от квадрата переданного 4-импульса. Для этого они исследовали виртуальное комптоновского рассеяние, обстреливая электронами мишень из жидкого водорода. Результаты эксперимента позволили подтвердить существование аномалии в окрестности 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, что противоречит существующим теориям ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Nature.
Протон имеет положительный заряд, равный элементарному, однако, в отличие от электрона, этот заряд складывается из зарядов частиц, входящих в его состав (партонов). Среди них могут быть и отрицательно заряженные партоны: валентный d-кварк, а также бесчисленные отрицательные морские кварки, рождающиеся в парах частица-античастица. Это означает, что внешнее электрическое поле должно смещать части протона относительно друг друга, что физики характеризуют с помощью электрической поляризуемости (также еще бывает и магнитная поляризуемость).
Величина этого параметра напрямую зависит от жесткости протона, а потому несет важную информацию о взаимодействиях внутри него. В экспериментах по рассеянию электронов на протонах поляризуемости дают различный вклад в его исход в зависимости от квадрата переданного от частицы системе 4-импульса. Измеряя эту зависимость, Роше с коллегами еще в 2000 году обнаружили аномальный пик при 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, который противоречит теоретическим соображениям, предсказывающим монотонный спад к этой области, хотя точность эксперимента было не очень большой. Проблема усугубляется тем, что такие переданные импульсы — это область, в которой плохо работают приближенные методы квантовой хромодинамики — теории кварк-глюонных взаимодействий. По этой причине крайне важно иметь высокоточные данные об аномалии, чтобы улучшить протонные модели.
Ценную работу в этом направлении проделала большая группа физиков из Армении, Индии, Канады и США под руководством Николаоса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл. Они провели измерение сечение виртуального комптоновского рассеяния, обстреливая протоны электронами в зале C лаборатории Джефферсона. За счет нескольких технических улучшений, ученые смогли добиться большей точности, нежели была у их предшественников. В результате группа подтвердила существование аномалии.
Поляризуемость атомов и молекул физики умеют измерять сравнительно легко. Тот же параметр для протонов измерять гораздо сложнее в силу иных физических масштабов. Некоторые выводы об электрической и магнитной поляризуемости можно сделать, облучая протоны электромагнитным излучением. В этом случае наблюдается реальное рассеяние Комптона, которое сопровождается изменение частоты фотона. Скалярные компоненты нужных величин (то есть поляризуемости при нулевом квадрате переданного 4-импульса) появляются во вкладах второго порядка в соответствующий гамильтониан взаимодействия.
Для исследования же зависимости поляризуемостей от различных переданных 4-импульсов, физикам нужны процессы с нарушением связи энергия-импульс, то есть вне массовой поверхности. Такое происходит при взаимодействии с виртуальными частицами. Поэтому полностью поляризуемости проявляют себя при измерении виртуального комптоновского рассеяния, в котором падающий фотон рождается в акте взаимодействия электрона с протоном как частица-переносчик.
Для исследования такого рассеяния физики направляли пучок электронов с энергией 4,56 гигаэлектронвольт на мишень из жидкого водорода толщиной 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергии и импульсы рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью проделанного эксперимента стало то, что его авторы проводили измерения вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемости проявляются сильнее. Кроме того, физики концентрировались на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.
Физики обработали данные для трех переданных 4-импульсов: 0,28, 0,33 и 0,40 квадратных гигаэлектронвольта. Они подгоняли измеренные сечения под модель на основе дисперсионных соотношений, куда электрическая и магнитная поляризуемости входят в качестве свободных параметров, в то время как протонные электромагнитные форм-факторы считались известными и брались учеными из литературы. Строя зависимость поляризуемостей от переданных 4-импульсов, авторы подтвердили, что для ее электрической части на 0,33 квадратных гигаэлектронвольта присутствует пик, который, однако, примерно в два раза меньше, чем тот, что наблюдался ранее.
Исходя из модели, авторы оценили средний квадрат радиуса электрически поляризованного протона, который оказался равен 1,36 ± 0,29 квадратных фемтометра. Это почти в два раза больше, чем средний квадрат радиуса неполяризованного протона, равный примерно 0,7 квадратных фемтометра. Физики связывают такое изменение главным образом с деформацией мезонного облака в протоне. Средний квадрат радиуса магнитно поляризованного протона оказался равен 0,63 ± 0,31 квадратных фемтометра, что свидетельствует о компенсации диа- и парамагнитных вкладов в протоне.
На прошлой неделе мы рассказывали про еще одно исследование поляризуемости протона, данные для которого были собраны в соседнем зале (зале A) лаборатории Джефферсона. Другая группа физиков исследовала поперечно-продольную спин-зависимую и цветовую поляризуемости этого нуклона.