Физики уточнили массовый радиус протона с помощью фоторождения J/ψ-мезонов

Американские физики исследовали процессы припорогового фоторождения J/ψ-мезонов на протонной мишений, чтобы извлечь гравитационные форм-факторы из данных о сечении этого процесса. Сравнение результатов извлечения в рамках разных подходов с расчетами, выполненными с помощью метода решеточной квантовой хромодинамики, показало, что голографических метод справляется с этой задачей лучше. Авторы также обновили значение для массового радиуса протона, которое оказалось равно 0,755±0,035 фемтометра. Исследование опубликовано в Nature.

Кварки — это единственные компоненты протона, обладающие электрическим зарядом. Из-за этого зондирование его структуры электромагнитным способом, которое позволяет определить зарядовый радиус протона (подробнее об этом читайте в материале «Щель в доспехах»), дает информацию только о распределении кварков. При этом суммарная масса кварков в протоне не превышает нескольких мегаэлекронвольт, в то время как масса самого нуклона равна чуть менее одного гигаэлектронвольта. Дальнейшее исследование этого вопроса показало, что масса протона имееют иерархическую структуру, важную роль в которой занимают глюоны, а также тот факт, что след тензора энергии-импульса в квантовой хромодинамике (КХД) отличен от нуля (следовая аномалия).

Доступ к последнему помогают получить гравитационные форм-факторы протона через вычисление матричных элементов тензора. С другой стороны, гравитационный форм-фактор связан с откликом распределенной протонной массы (глюонной по большей части) на специфичное рассеяние. Проблема в том, мы не можем просто обстрелять протонную мишень глюонами, поскольку они не существуют вне адронов.

В качестве решения этой проблемы физики рассматривают процесс, известный как припороговое фоторождение векторных мезонов. В его основе лежит способность фотонов с небольшой вероятностью рассеиваться на глюонах. Такой способ позволяет сделать некоторые выводы о распределении массы протона, о чем мы уже рассказывали. Сегодня ученые стараются нарастить количество данных и получить более точное значение гравитационных форм-факторов благодаря этим экспериментам. Такую задачу поставила себе группа американских физиков во главе с Зейном-Эддином Мезиани (Zein-Eddine Meziani) из Аргоннской национальной лаборатории.

Напрямую фотоны не взаимодействуют с глюонным полем протона. Тем не менее, по мере своего распространения фотоны подвержены квантовым флуктуациям, часть из которых представляет собой временное превращение в виртуальную кварк-антикварковую пару. В таком виде фотон способен к сильному взаимодействию, которое может окончиться тем, что ядро передаст часть своей энергии, и ее хватит для рождения реальной кварк-антикварковой пары — векторного мезона. Авторы концентрировались в своем исследовании на J/ψ-мезонах, состоящих из очарованных кварка и антикварка.

Эксперимент проходил в лаборатории Джефферсона. Физики использовали ускоритель электронов, чтобы разогнать их до энергии 10,6 гигаэлектронвольта и направить на медный радиатор. Там электроны испытывали резкое торможение, сопровождающееся излучением гамма-квантов в диапазоне энергий от 8,8 до 10,6 гигаэлектронвольта. Фотоны попадали на мишень из жидкого водорода, содержащегося при температуре 19 кельвин и давлении чуть менее семи килопаскаль. О рождении J/ψ-мезонов свидетельствовали потоки электронов и позитронов, на которые эти частицы распадаются.

Измеряя свойства продуктов этой реакции, ученые делали выводы о свойствах самих векторных мезонов. Целевой величиной в эксперименте была зависимость сечения фоторождения J/ψ-мезонов от энергии фотонов и t-переменной Мандельштама. Физики смогли связать его с частью гравитационных форм-факторов в рамках голографического подхода и подхода обобщенного партонного распределения (GPD) и сравнить результат с последними симуляциями, сделанными в рамках решеточной КХД. Оказалось, что голографическое извлечение происходит точнее.

Полученные знания позволили определить среднеквадратичный массовый радиус протона, который оказался равен 0,755±0,035 фемтометра. Стоит отметить, что это значение меньше зарядового радиуса, что свидетельствует о том, что кварки внутри протона вытеснены ближе к краю, в то время как глюоны концентрируются ближе к центру нуклона.

Зарядовый и массовый радиусы — не единственные характеристики, определяющие размер протона. Недавно вы рассказывали, как рассеяние антинейтрино позволило узнать аксиально-зарядовый радиус протона, который характеризует распределение слабых токов и зарядов внутри этой частицы.