Протон является одной из фундаментальных "опор", на которой держится вся материальная часть нашей Вселенной. Параметры этой субатомной частицы определяют химические свойства различных элементов, протоны косвенно управляют электронами атомов, связывая эти атомы в молекулы очень большой сложности. Правила поведения и внешние характеристики протонов изучены уже достаточно хорошо, но внутренняя структура этой частицы пока еще является почти полной загадкой для ученых, работающих в данном направлении.
Не так давно исследователи из Национальной лаборатории ускорителей имени Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) провели эксперименты, результаты которых проливают немного света на загадку внутреннего устройства протонов и на то, как частицы материи соединяются и образуются на самом маленьком уровне.
Это было сделано путем измерения движения крошечных элементарных частиц, называемых глюонами, которые, как известно, выступают чем-то вроде "клея", связывающего кварки, образующие различные элементарные частицы. Данные экспериментов позволили составить так называемый глюонный гравитационный профиль протона, который является своего рода "окном", позволяющим рассмотреть внутреннюю структуру положительно заряженной субатомной частицы.
Исследователи обнаружили, что радиус области, внутри которой заключена вся масса протона, является переменной величиной и не совпадает с радиусом распределения электрического заряда, который принято считать реальным размером этой частицы. В принципе, в этом не было ничего неожиданного, однако различия между этими радиусами предоставляют ученым некоторое количество дополнительной информации о внутреннем устройстве протона.
Вполне естественно, проведение прямых измерений внутренних параметров протонов не предоставляется возможным на сегодняшний день. Поэтому исследователи произвели эти измерения косвенным путем, исследуя продукты распадов мезонов определенного типа. В эксперименте был задействован луч электронов и луч фотонов, проходящие сквозь жидкий водород, а возникшие в такой среде взаимодействия привели к образованию экзотических частиц, называемых J/psi-мезонами.
Измеряя параметры J/psi-мезонов, процессов их распада, и сравнивая полученные результаты с теоретическими моделями, ученые вычислили различия между распределениями массы и электрического заряда внутри протона. Больший радиус распределения электрического заряда означает, что масса протона сконцентрирована в районе местонахождения кварков, но некоторые глюоны способны выходить за этот предел, раздвигая область распределения электрического заряда.
К сожалению, все это является следствием странных квантовых взаимодействий между частицами, принимающими участие в данном процессе, и это, в свою очередь, является пока непреодолимым препятствием для построения "полной карты" внутреннего строения протона.
Тем не менее, ученые не собираются останавливаться на достигнутых результатах, уже запланированы следующие эксперименты, в которых будут использованы более совершенные инструменты, методы измерений и которые обеспечат более высокий уровень точности. И, в конце концов, когда-нибудь в будущем мы выясним точно все аспекты "внутренней работы" протонов и других фундаментальных субатомных частиц.