Физики обнаружили, что при сверхвысоких энергиях протон выглядит как черный диск

На что похож протон? Обычный ответ на этот вопрос: протоны, слишком малы, чтобы рассеивать свет, а поскольку свет необходимым нам для того, чтобы видеть вещи, протоны невозможно сравнить с чем-то. Но в новом исследовании, физики собрали достаточно доказательств, чтобы показать, по крайней мере при очень высоких энергиях, что протон выглядит как черный диск - подобно удлиненной хоккейной шайбе. Это описание подходит только для протонов при таких сверхвысоких энергий, что даже самые передовые эксперименты, вероятно, никогда не смогут их обнаружить.

Физики, Мартин Блок, почетный профессор Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, и Фрэнсис Халзен, профессор физики из Университета штата Висконсин в Мэдисоне, штат Висконсин, опубликовали свой анализ протона в недавнем выпуске журнала Physical Review Letters.

Каждый студент на занятиях физики узнает, что протон очень маленькая (приблизительно 10^-15 м в диаметре) положительно заряженная субатомная частица, встречающаяся в ядре атома. Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка. Три кварка скрепляются мощной силой, при посредничестве других частиц, называемых глюонами. С учетом сложной динамики, происходящей внутри протона, а также того, что согласно корпускулярно-волновому дуализму квантовой механики, протоны имеют свойства  волн и частиц, визуализация протона непростое дело.

Однако, благодаря теории относительности, физики имеют представление о том, как протон должен выглядеть теоретически, когда его скорость приближается к скорости света. Из-за сокращения Лоренца, протон должен сжаться в диск без толщины, или, другими словами, двумерный диск. Эта форма полностью следует из относительности, и не имеет ничего общего с взаимодействиями между кварками, глюонами и т.д., которые описываются квантовой хромодинамикой.

В своем исследовании, Блок и Халзен обнаружил, что этот диск, скорее всего, черный. Чтобы прийти к такому выводу, они проанализировали результаты трех различных экспериментов и разработали свою собственную числовую модель, которая является полностью независимой от экспериментальных данных для того, чтобы попытаться получить лучшее представление о структуре протона. Эти исследования связаны с изучением того, что происходит, когда ускоренный до очень высоких энергий протон направляется на второй протон.

"В нашей модели, по крайней мере асимптотически [то есть, когда энергия протона стремится к бесконечности], протон рассеивается любой частицей (например, другим протоном), как бильярдный шар половину времени (упругое столкновение) и полностью поглощают его вторую половину времени (неупругое столкновение)", сказал Халзен. Такое поведение очень похоже на то, как должен вести себя черный диск.

Физики исследовали протон-протонные столкновения на протяжении нескольких десятилетий. Вычисляя сечения в протон-протонных неупругих процессах рассеяния и сравнивая их с протон-протонными общими (упругое плюс неупругое) поперечными сечениями, исследователи получили более глубокое понимание внутренней структуры протона.

В этом исследовании, Блок и Халзен проанализировали измерения неупругих и полных сечений, которые недавно были получены при двух различных энергиях в трех независимых экспериментах. При энергии 7000 ГэВ, совместно с Atlas, было измерено неупругое сечение 69,1 миллибарн (миллибарн [мб] - площадь, равная 10^-27 см²), а также в сотрудничестве с CMS, используя совершенно другую методику для измерения, было получено значение 68 мб. При 57000 ГэВ, совместно с Обсерваторией Пьера Оже, использовались космические лучи для расчета неупругого сечения в 90 мб. Для сравнения, численные расчеты Блока и Халзена предсказывали неупругие сечения 69,0 мб при 7000 ГэВ и 92,9 мб при 57000 ГэВ, оба из которых хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Блок и Халзен также объяснили, что 57000 ГэВ, скорее всего, максимальная энергия, при которой такие эксперименты могут быть выполнены, приближая его как можно ближе к асимптотике (определяется как поведение сечения, когда энергия стремится к бесконечности). Тем не менее, экспериментальные измерения все еще весьма далеки от асимптотике.

Но, несмотря на эти ограничения, данные действительно представляют некоторые свидетельства того, как неупругие и полное сечения ведут себя, когда энергия стремится к бесконечности. При объединении экспериментальных измерений с предсказаниями их чисто числового подхода, Блок и Халзен обнаружили, что с ростом энергии до бесконечности, отношение неупругого сечения к полному составляет около 0,509. Другими словами, асимптотический протон рассеивается другой протон половину времени и поглощает его в половине случаев.

Интересно, что предсказанное отношение неупругого сечения для полного сечения черного диска составляет 0,5, что согласуется с результатами Блока и Халзена для асимптотической протона в пределах погрешности измерений. По этой причине, новые результаты обеспечивают первые экспериментальные доказательства того, что протон становится черным диском, при приближении его энергии к асимптотике.

Модель физиков обеспечивает некоторую дополнительную информацию об асимптотическом протоне в терминах квантовой хромодинамики. Ученые объясняют, что при сверхвысоких энергиях, в структуре протона полностью доминируют глюоны вместо кварков. В противоположность этому, при субасимптотической энергии, кварки играют более значительную роль, и недостаточно глюонов, чтобы сформировать форму  двумерного диска. Модель ученых даже предсказывает массу легчайшего состояния частицы из глюонов, получившая название глюбола. Этот ключ к пониманию массы глюбола может помочь в поисках глюболов, который был целью нескольких экспериментов. Кроме того, расчеты физиков предсказывают расширение черного диска, сто согласуется с общими теоретическими предсказаниями 1960-х годов.

Хотя сверхвысокие энергии асимптотических протонов делают маловероятным их использование в экспериментах, ученые заявляют, что это возможно и эти очень энергичные протоны действительно существуют в природе.