Протоны (субатомные частицы, которые находятся в ядре каждого атома) при некоторых условиях могут сжаться до меньшего размера, выскользнуть из ядра атома и продолжить самостоятельное существование. А наблюдения за поведением таких "сжатых" протонов могут пролить свет на общее понимание структуры, параметров, свойств и поведения частиц, из которых буквально построено все во Вселенной.
Охоту за сжатыми протонами уже некоторое время ведут ученые-физики из Национальной лаборатории ускорителей имени Томаса Джефферсона. Однако, все их усилия не принесли еще никаких результатов и это указывает на то, что за всем этим явлением кроется нечто большее и более сложное. "Мы надеялись сжать протоны так, чтобы составляющие его кварки образовали структуру меньшего размера. Но это оказалось сделать не так просто" - пишут исследователи.
Напомним нашим читателям, что протоны состоят из трех кварков, связанных силами сильных ядерных взаимодействий. В обычном состоянии протона эти взаимодействия столь сильны, что они просачиваются наружу и заставляют протоны притягиваться к другим протонам и нейтронам, образуя ядро атома. По крайней мере, именно так все это описывает квантовая хронодинамика (quantum chromodynamics, QCD), наука о кварках, сильных ядерных взаимодействиях и т.п.
Однако, QCD-теория допускает, что протон может быть сжат таким образом, что кварки "упаковываются" более плотно, силы сильных взаимодействий как бы оборачиваются вокруг них не просачиваются больше наружу. Из-за этого, такой сжатый протон больше не притягивается к другим частицам и имеет возможность выскользнуть из ядра наружу. Это явление называется "цветная прозрачность", так как протон становится "невидимым" для цветных (сильных) взаимодействий между окружающими его частицами.
Более ранние эксперименты позволили ученым увидеть цветную прозрачность у других, более простых частиц, пионов, которые состоят из двух кварков. А другой эксперимент показал, что протоны могут иметь цветную прозрачность именно в диапазоне энергий, который лежит в пределах досягаемости модернизированного оборудования лаборатории Джефферсона.
"Мы ожидали найти сжатые протоны так же легко, как и сжатые пионы" - пишут исследователи, - "Мы начали плавно увеличивать энергию до более высоких значений, но эти протоны так и не объявились в поле нашего зрения".
Эксперимент по поиску сжатых протонов стал одним из первых экспериментов, проведенном наускорителе CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), который после модернизации обрел возможность оперировать энергиями до 12 ГэВ. В этом эксперименте разогнанные высокоэнергетические электроны были направлены в ядра атомов углерода, после чего детекторы улавливали электроны и все протоны, выбитые ими из ядер атомов.
"Мы зарегистрировали множество протонов" - пишут исследователи, - "Но все они были самыми обычными протонами с очень высоким, можно сказать, рекордным для нашей лаборатории импульсом, которые обычно получаются при рассеивании электронов".
В исследованиях ученые исходили из предположения, что при таком уровне энергий обычные протоны уже не могут выжить и при столкновениях разваливаются на составные части. Шанс остаться неповрежденным в таких условиях остается только у более плотных сжатых протонов. Но, среди нескольких тысяч протонов, зарегистрированных в эксперименте, не было найдено ни единого признака "цветной прозрачности", т.е. сжатого состояния.
"Все этого говорит нам о том, что протон более сложен, чем мы считали ранее и еще считаем сейчас" - пишут исследователи, - "Наш пустой результат является лишь следствием фундаментального теоретического прогноза. Мы знаем, что это явление должно существовать в некоей высокоэнергетической области, но никто пока не знает точно ее границ".
На следующем этапе ученые планируют вновь вернуться к более простым частицам для того, чтобы иметь возможность изучить явление "цветной прозрачности" более глубоко и более тщательно. И на основе новых данных, которые могут быть получены в будущем, можно будет сделать уточненные прогнозы для более сложных частиц, в том числе и протонов.