Международная коллаборация физиков PHENIX получила новые данные о вкладе в спин протона глюонов — специальных частиц, ответственных за «склеивание» между собой кварков. Исследование является следующим шагом в разрешении «кризиса протонного спина» и уточняет роль переносчиков сильных взаимодействий в формирование фундаментальных свойств материи. Работа опубликована (препринт) в журнале Physical Review D, кратко о ней сообщает пресс-релиз Брукхэвенской национальной лаборатории.

Собственным угловым моментом или спином называется специальная квантовая характеристика, чаще всего отождествляемая в научно-популярной литературе с направлением вращения частицы. Но это сравнение не вполне корректно: если заменить протон классическим объектом, например, шариком аналогичной массы и радиуса, то несложные вычисления покажут, что точки на его поверхности движутся со сверхсветовой скоростью. Несмотря на квантовость, и величина и направление спина влияют на вполне конкретные физические явления — отклонение траектории в магнитном поле и на поведение частиц в крупных системах. Для протона спин равен 1/2.

Детектор коллаборации PHENIX. Изображение: PHENIX / RHIC

По современным представлениям, протоны состоят из кварков, связанных между собой глюонами, своеобразным «ядерным клеем». Поэтому суммарный спин протона должен представлять собой некую сумму угловых моментов объектов, из которых он состоит. К примеру, в состав покоящегося протона входят три кварка (два u-кварка и один d-кварк), каждый из которых несет спин 1/2. Ранее ученые считали что один из этих компонентов просто «вращается» в другую сторону, что объясняло суммарный угловой момент в 

(1/2) + (-1/2) + (1/2) = 1/2.

Однако в 1989 году коллаборация EMC (European Muon Collaboration) опубликовала исследование, согласно которому суммарный спин кварков в протонах вносит лишь небольшой вклад, он может быть даже нулевым. Иначе говоря, спиновая поляризация («направленность») протона не обязательно приводит к поляризации кварков.  В тот момент возник «кризис протонного спина» — физикам предстояло выяснить кто ответственен за большую часть углового момента протона. Здесь стоит отметить важный момент — количество кварков и глюонов, из которых состоит протон, относительная величина и меняется в зависимости от того, из какой системы отсчета мы смотрим на протон. Чем быстрее для нас движется протон и чем больше его энергия, тем из большего количества частиц, как нам кажется, он состоит.

Взгляды на вклад различных частиц в спин протона. Изображение: PHENIX

Дальнейшие работы уточнили, что кварки все же вносят некоторый вклад в спин протона, но он не достигает 30 процентов общего. Физики предположили, что остальной вклад могут вносить глюоны, угловым моментом которых пренебрегали в ранних расчетах. Для того, чтобы измерить его, необходимо было поставить эксперимент, в котором свойства «ядерного клея» играли бы решающую роль. Один из таких экспериментов предложили провести на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхэвенской национальной лаборатории — до 2010 года самом мощном коллайдере тяжелых ионов в мире. 

В эксперименте ученые сталкивали между собой пучки протонов с четко заданными направлениями спинов. В первой серии столкновений спины в пучках были сонаправлены. Затем один из пучков «переворачивали» и следили за тем как меняется характер осколков от столкновения частиц. В частности, физики следили за темпами рождения в столкновениях нейтральных пионов. В этом процессе активно участвуют глюоны, поэтому если их вклад в спин протона существенен, то «пререворачивание» пучка приведет к значительным изменениям в свойствах пионов — их импульсах и траекториях.

Столкновение спин-поляризованных протонов приводит к образованию пионов — нейтральных частиц, траектории разлета которых зависят от свойств глюонов в протоне. Изображение: PHENIX

Первые результаты экспериментов были опубликованы в 2014 году — тогда ученым удалось доказать, что вклад глюонов велик и может достигать по величине вклад кварков. Тогда столкновения проводились при энергиях до 200 гигаэлектронвольт. В новой работе физики подняли энергию в два с половиной раза — до 510 гигаэлектронвольт. Авторы сравнивают увеличение энергии столкновений с использованием более сильного микроскопа, позволяющего увидеть более тонкие эффекты. Согласно препринту, это вносит дополнительные ограничения на глюонный вклад, однако ученые ссылаются на внутреннюю переписку с научной группой DSSV (de Florian—Sassot—Stratmann—Vogelsang) — точные данные не приводятся.

В угловом моменте протона существует и третий компонент — вклад орбитального углового момента. Физический смысл этой величины состоит в следующем: подобно электронам в атоме, глюоны и кварки могут вращаться внутри протона. Оценить эту величину экспериментально гораздо сложнее. Кроме того, физики-теоретики неоднозначно трактуют эту величину, что послужило причиной серьезных споров в научной среде.

Автор: Владимир Королёв