 |
Большой адронный коллайдер |
🔹 Только 1% массы протона исходит из поля Хиггса. Ученые ALICE исследуют процесс, который может помочь объяснить остальное.
Когда протоны и ядра внутри Большого адронного коллайдера сталкиваются непосредственно друг с другом, их энергия может трансформироваться в новые типы материи, такие как знаменитый бозон Хиггса, известный своей связью с полем, которое придает массу фундаментальным частицам. Но когда ядра просто соприкасаются друг с другом, происходит другая удивительная вещь: они генерируют одни из самых сильных магнитных полей во Вселенной.
Эти сверхинтенсивные магнитные поля позволяют физикам-ядерщикам заглянуть внутрь атомов и ответить на фундаментальный вопрос: как протоны получают большую часть своей массы?
Протоны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами. Кварки в протонах очень легкие, а, насколько известно ученым, глюоны вообще не имеют массы. Однако протоны намного тяжелее, чем совокупные массы трех содержащихся в них кварков.
«О происхождении массы из-за бозона Хиггса много говорится», — говорит Дмитрий Харзеев, теоретик-ядерщик, работающий совместно в Университете Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. «Но Хиггс отвечает за массу кварков. Остальное имеет другое происхождение».
Этот вакуум не пуст, говорит Сергей Волошин, профессор Государственного университета Уэйна и участник эксперимента ALICE в ЦЕРНе. Вакуум на самом деле заполнен волнообразными полями, которые постоянно порождают и исчезают пары частица-античастица.
Три кварка, которые придают протонам их идентичность, вечно борются с этими эфирными парами частица-античастица. Когда один из этих кварков приближается слишком близко к антикварку, созданному в вакууме, он аннигилирует и исчезает во всплеске энергии.
Но протон не увядает и не умирает, когда его кварк исчезает; скорее, кварк-партнер из пары частица-античастица, созданной в вакууме, вмешивается и занимает место аннигилированного кварка (поворот сюжета прямо из «Талантливого мистера Рипли»).
Ученые полагают, что этот непрерывный обмен кварками приводит к тому, что протон кажется более массивным, чем сумма его кварков.
Хиральность связана с квантовомеханическим свойством, называемым спином, и примерно означает, вращается ли кварк по часовой стрелке или против часовой стрелки, когда он движется в определенном направлении в пространстве. (Визуализируйте, как бусины вращаются, скользя по проволоке.)
Из-за свойств вакуума замещающий кварк всегда будет иметь направленность, противоположную исходной. Именно этим постоянным переходом кварков из одной руки в другую теоретики объясняют большую часть массы протона.
«Девяносто девять процентов массы могут возникнуть в результате этого процесса изменения киральности в вакууме», — говорит Харзеев. «Когда мы встаем на весы, число, которое мы видим, может быть результатом этих переходов с изменением киральности».
Поскольку кварки заряжены, они должны взаимодействовать с магнитным полем. «Обычно мы никогда не задумываемся об этом взаимодействии, потому что магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории, чрезвычайно слабы по сравнению с силой взаимодействия кварков друг с другом», — говорит Харзеев. «Однако мы поняли, что когда заряженные ионы сталкиваются, их сопровождает электромагнитное поле, и это поле можно использовать для исследования киральности кварков».
Выполнив математические расчеты, они обнаружили, что положительно заряженные ионы, соприкасающиеся друг с другом внутри коллайдера частиц, такого как БАК, будут генерировать магнитное поле на два порядка сильнее, чем поле на поверхности самого сильного из известных магнитных полей. Этого было бы достаточно, чтобы преодолеть сильное притяжение кварков друг к другу.
«Измерение силы магнитного поля и его времени жизни было основной целью недавнего анализа данных ALICE», — говорит Волошин. «Исследование дало несколько неожиданные результаты, но они все же согласуются с существованием сильного магнитного поля, необходимого для сортировки кварков по их направленности».
В сильном магнитном поле движение кварка больше не является случайным. Магнитное поле автоматически сортирует кварки в соответствии с их киральностью, а направление направленности направляет их либо к северному, либо к южному полюсу поля.
«Внутри протона левые кварки переходят в правые, а правые — обратно в левые», — говорит он. «Мы всегда будем видеть смесь левых и правых кварков».
Чтобы изучить, происходит ли переворот киральности кварков, физикам необходимо обнаружить несколько крупных и неожиданных дисбалансов между количеством правых и левых кварков.
К счастью, столкновения тяжелых ядер создают идеальные условия для того, чтобы кварки изменили свою направленность. Когда два ядра сталкиваются друг с другом на высоких скоростях, их протоны и нейтроны плавятся, образуя кварк-глюонную плазму, которая является одним из самых горячих и плотных материалов, существующих во Вселенной. Освобожденные кварки, плавающие в этой плазме, могут легко изменить свою идентичность.
«Это как крендельки до того, как их испекут», — говорит Харзеев. «Вы можете легко слепить тесто и изменить закрутку».
Космический вакуум неоднороден — существуют узлы глюонного поля, которые преимущественно скручивают эти рыхлые кварки в ту или иную сторону. Если происходит переворот киральности, то ученые должны уловить дисбаланс в количестве левых и правых кварков, вылетающих из плазмы.
«Средняя ручность при всех столкновениях должна быть одинаковой, — говорит Харзеев, — но колебания от столкновения к столкновению должны быть очень большими; мы должны увидеть некоторые кварк-глюонные плазмы, которые являются преимущественно правосторонними, и другие, которые являются преимущественно левосторонними». Из-за наличия магнитного поля направленность плазмы приводит к наблюдаемой асимметрии заряда образующихся частиц — это «хиральный магнитный эффект», предложенный Харзеевым.
Вскоре после того, как Харзеев предложил идею сортировки кварков по их направленности в сильном магнитном поле сталкивающихся ядер, Волошин разработал способ проверки этой теории с помощью эксперимента ALICE, участие США в котором финансируется Министерством энергетики. Первоначальные результаты свидетельствуют о том, что кварки сортируются по хиральности. Но прежде чем учёные смогут быть в этом уверены, необходимо провести дополнительные исследования.
Эти сверхинтенсивные магнитные поля позволяют физикам-ядерщикам заглянуть внутрь атомов и ответить на фундаментальный вопрос: как протоны получают большую часть своей массы?
Протоны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами. Кварки в протонах очень легкие, а, насколько известно ученым, глюоны вообще не имеют массы. Однако протоны намного тяжелее, чем совокупные массы трех содержащихся в них кварков.
«О происхождении массы из-за бозона Хиггса много говорится», — говорит Дмитрий Харзеев, теоретик-ядерщик, работающий совместно в Университете Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. «Но Хиггс отвечает за массу кварков. Остальное имеет другое происхождение».
💫 Происхождение массы
Кварки в протонах очень легкие и составляют всего около 1% от общей массы протона. Правдоподобное, но пока недоказанное теоретическое объяснение этого несоответствия связано с тем, как кварки движутся в вакууме.Этот вакуум не пуст, говорит Сергей Волошин, профессор Государственного университета Уэйна и участник эксперимента ALICE в ЦЕРНе. Вакуум на самом деле заполнен волнообразными полями, которые постоянно порождают и исчезают пары частица-античастица.
Три кварка, которые придают протонам их идентичность, вечно борются с этими эфирными парами частица-античастица. Когда один из этих кварков приближается слишком близко к антикварку, созданному в вакууме, он аннигилирует и исчезает во всплеске энергии.
Но протон не увядает и не умирает, когда его кварк исчезает; скорее, кварк-партнер из пары частица-античастица, созданной в вакууме, вмешивается и занимает место аннигилированного кварка (поворот сюжета прямо из «Талантливого мистера Рипли»).
Ученые полагают, что этот непрерывный обмен кварками приводит к тому, что протон кажется более массивным, чем сумма его кварков.
🔹 «Девяносто девять процентов массы могут возникнуть в результате этого процесса изменения киральности в вакууме»
💫 Дело в руке
Со стороны кажется, что в этом обмене мало что изменится. Аннигилированный кварк немедленно заменяется, казалось бы, идентичным двойником, что затрудняет наблюдение за этим процессом. К счастью для ученых БАКа, они не совсем идентичны: кварки, как и люди, могут быть левшами или правшами — эта концепция называется хиральностью.Хиральность связана с квантовомеханическим свойством, называемым спином, и примерно означает, вращается ли кварк по часовой стрелке или против часовой стрелки, когда он движется в определенном направлении в пространстве. (Визуализируйте, как бусины вращаются, скользя по проволоке.)
Из-за свойств вакуума замещающий кварк всегда будет иметь направленность, противоположную исходной. Именно этим постоянным переходом кварков из одной руки в другую теоретики объясняют большую часть массы протона.
«Девяносто девять процентов массы могут возникнуть в результате этого процесса изменения киральности в вакууме», — говорит Харзеев. «Когда мы встаем на весы, число, которое мы видим, может быть результатом этих переходов с изменением киральности».
💫 Физика внутри магнитного поля
В 2004 году, когда Харзеев возглавлял группу ядерной теории в Брукхейвенской лаборатории, у него возникла идея, как можно экспериментально искать доказательства переворота киральности кварков, который никогда не наблюдался.Поскольку кварки заряжены, они должны взаимодействовать с магнитным полем. «Обычно мы никогда не задумываемся об этом взаимодействии, потому что магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории, чрезвычайно слабы по сравнению с силой взаимодействия кварков друг с другом», — говорит Харзеев. «Однако мы поняли, что когда заряженные ионы сталкиваются, их сопровождает электромагнитное поле, и это поле можно использовать для исследования киральности кварков».
Выполнив математические расчеты, они обнаружили, что положительно заряженные ионы, соприкасающиеся друг с другом внутри коллайдера частиц, такого как БАК, будут генерировать магнитное поле на два порядка сильнее, чем поле на поверхности самого сильного из известных магнитных полей. Этого было бы достаточно, чтобы преодолеть сильное притяжение кварков друг к другу.
«Измерение силы магнитного поля и его времени жизни было основной целью недавнего анализа данных ALICE», — говорит Волошин. «Исследование дало несколько неожиданные результаты, но они все же согласуются с существованием сильного магнитного поля, необходимого для сортировки кварков по их направленности».
В сильном магнитном поле движение кварка больше не является случайным. Магнитное поле автоматически сортирует кварки в соответствии с их киральностью, а направление направленности направляет их либо к северному, либо к южному полюсу поля.
💫 Сытный, горячий суп из творога
По словам Харзеева, практически невозможно поймать кварк, меняющий свою хиральность внутри протона.«Внутри протона левые кварки переходят в правые, а правые — обратно в левые», — говорит он. «Мы всегда будем видеть смесь левых и правых кварков».
Чтобы изучить, происходит ли переворот киральности кварков, физикам необходимо обнаружить несколько крупных и неожиданных дисбалансов между количеством правых и левых кварков.
К счастью, столкновения тяжелых ядер создают идеальные условия для того, чтобы кварки изменили свою направленность. Когда два ядра сталкиваются друг с другом на высоких скоростях, их протоны и нейтроны плавятся, образуя кварк-глюонную плазму, которая является одним из самых горячих и плотных материалов, существующих во Вселенной. Освобожденные кварки, плавающие в этой плазме, могут легко изменить свою идентичность.
«Это как крендельки до того, как их испекут», — говорит Харзеев. «Вы можете легко слепить тесто и изменить закрутку».
Космический вакуум неоднороден — существуют узлы глюонного поля, которые преимущественно скручивают эти рыхлые кварки в ту или иную сторону. Если происходит переворот киральности, то ученые должны уловить дисбаланс в количестве левых и правых кварков, вылетающих из плазмы.
«Средняя ручность при всех столкновениях должна быть одинаковой, — говорит Харзеев, — но колебания от столкновения к столкновению должны быть очень большими; мы должны увидеть некоторые кварк-глюонные плазмы, которые являются преимущественно правосторонними, и другие, которые являются преимущественно левосторонними». Из-за наличия магнитного поля направленность плазмы приводит к наблюдаемой асимметрии заряда образующихся частиц — это «хиральный магнитный эффект», предложенный Харзеевым.
Вскоре после того, как Харзеев предложил идею сортировки кварков по их направленности в сильном магнитном поле сталкивающихся ядер, Волошин разработал способ проверки этой теории с помощью эксперимента ALICE, участие США в котором финансируется Министерством энергетики. Первоначальные результаты свидетельствуют о том, что кварки сортируются по хиральности. Но прежде чем учёные смогут быть в этом уверены, необходимо провести дополнительные исследования.
(Copyrighted © Перевод с англ. Louiza Smith)
Источник:
By Sarah Charley,
«Scientists search for origin of proton mass»