ТАСС, 21 июня. Российские и зарубежные физики получили первые однозначные свидетельства того, что субатомые частицы-глюоны играют важную роль в определении направления вращения протонов и других составных частиц. Эти данные помогут разрешить так называемый протонный спиновый кризис, сообщила в среду пресс-служба американской Брукхевенской национальной лаборатории (BNL). Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
"Протонный спиновый кризис начался после того, как опыты по столкновениям мюонов и протонов указали на то, что суммы спинов всех трех кварков, присутствующих внутри протонов, не хватает для того, чтобы объяснить наличие спина у протона. Проведенные нами опыты на RHIC и последующие эксперименты на строящемся коллайдере EIC помогут нам окончательно решить эту загадку", - заявил научный сотрудник BNL Александр Базилевский, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Как объясняют ученые, все элементарные частицы состоят из так называемых глюонов, безмассовых бозонов-переносчиков сильных взаимодействий, и небольших объектов, которые физики называют кварками. Все кварки обладают уникальными наборами свойств, в том числе массой, зарядом, спином и прочими квантовыми характеристиками.
В прошлом ученые считали, что сумма свойств кварков на 100% определяет то, как ведет себя сложенная из них частица. В конце 1980-х гг. физики ЦЕРН обнаружили, что это правило не работает как минимум для одного свойства протона - его спина, направления вращения частицы. Первые замеры этой характеристики для кварков показали, что сумма их спинов объясняет лишь четверть спина протона, и при этом ученые получили свидетельства того, что кварки вообще могут не участвовать в его определении.
Загадка вращения протонов
Авторы исследования, в том числе ученые из Петербургского института ядерной физики в Гатчине и других ведущих научных центров России, уже много лет пытаются решить эту проблему, получившую имя "протонный спиновый кризис", при помощи ускорителя RHIC, единственной в мире установки, способной вырабатывать пучки протонов, чей спин направлен в определенную сторону. Недавно физикам удалось получить первые оценки того, какую роль в определении спина протонов могут играть глюоны, чья роль в формировании данного свойства частиц оставалась загадкой для физиков на протяжении многих десятилетий.
Для получения этих сведений ученые столкнули друг с другом два набора пучков протонов, в одном из которых частицы обладали противоположными спинами, а в другом - одинаковыми. Как объясняют физики, столкновения протонов в таких пучках приводят к формированию фотонов (частиц света) высоких энергий, чьи свойства напрямую зависят от того, как глюоны из одной частицы взаимодействуют с кварками из другого протона.
Опираясь на эту идею, исследователи сравнили свойства фотонов, возникавших при столкновениях того и другого набора частиц, что позволило им определить примерное направление спина глюонов. Последующие замеры и расчеты физиков указали на то, что направление спина протонов и глюонов, участвовавших в формировании частиц света, в целом совпадало, что говорит о ненулевом и при этом положительном вкладе (более 5%) данной формы бозонов в направление вращения протонов.
Более точные оценки этого показателя, как отметил Базилевский, физики получат после запуска ускорителя EIC, постройка которого началась на территории BNL осенью 2020 года. Эта установка поможет заглянуть внутрь протонов и изучить то, как кварки и глюоны движутся внутри этих частиц, что необходимо для получения точных оценок вклада свойств кварков и глюонов в спин протона и других составных частиц, подытожили ученые.