Атом, фундаментальная единица материи, состоит из трёх основных типов частиц: электронов, протонов и нейтронов. В ядерной физике протоны и электроны, определяющие структуру и ключевые свойства атомов, долгое время были в центре внимания учёных. Однако недавний эксперимент, длившийся более десяти лет, позволил совершить значительный прорыв в понимании их внутреннего устройства. По мнению физиков, это достижение может помочь разрешить давний «кризис ядерного спина».
Базовые компоненты атомного ядра были открыты почти сто лет назад. Электроны, несущие отрицательный заряд, обращаются вокруг ядра, формируя электронные оболочки. Положительно заряженный протон примерно в 2000 раз тяжелее электрона. Нейтроны, лишённые электрического заряда, наряду с протонами входят в состав атомных ядер. Вместе протоны и нейтроны образуют нуклоны, которые, в свою очередь, состоят из более мелких и фундаментальных частиц — кварков и глюонов.
Известно шесть разновидностей кварков, которые условно называют «ароматами»: верхние (u), нижние (d), странные (s), очарованные (c), прелестные (b) и истинные (t). Протон состоит из комбинации двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон — из двух нижних и одного верхнего. Связь между кварками внутри нуклона обеспечивают глюоны, выступая в роли переносчиков сильного взаимодействия.
Тайна кварков и глюонов
Хотя существование кварков и глюонов является установленным фактом, их движение и пространственное распределение внутри нуклонов остаются во многом загадкой. Для её разгадки в последние десятилетия была проведена целая серия экспериментов на ускорителях частиц.
Обратите внимание: Большой адронный коллайдер обнаружил новые частицы.
В одном из таких экспериментов на ускорителе непрерывного электронного пучка (CEBAF) ядра бомбардировались электронами. Учёные наблюдали за их рассеянием в процессе явления, известного как глубокое виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS). В ходе этого взаимодействия нуклон поглощает часть энергии электрона и испускает фотон.С помощью детектора CLAS12, работающего с пучком электронов энергией 12 ГэВ, исследователи получили возможность анализировать эти реакции с беспрецедентной точностью. Однако долгое время фокус исследований был сосредоточен на протонах, поскольку нейтроны обнаружить значительно сложнее. «В стандартных экспериментальных установках практически невозможно зафиксировать нейтроны под нужными углами», — пояснила в своём заявлении Сильвия Николаи, научный сотрудник Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Для преодоления этого технического барьера она предложила разработать специализированный прибор — «Центральный детектор нейтронов».
Создание уникального нейтронного детектора
В 2011 году при поддержке коллег из Лаборатории физики двух бесконечностей имени Ирен Жолио-Кюри (IJCLab) — совместного подразделения CNRS, Университета Париж-Сакле и Университета Париж-Сите, а также при финансировании Французского национального института ядерной физики и физики элементарных частиц (IN2P3), Сильвия Николаи инициировала проект по созданию этого детектора.
Путь к пониманию GPD E
Спустя четыре года, в 2015-м, Центральный детектор нейтронов был введён в эксплуатацию. Он собрал ценный массив данных в период с 2019 по 2020 год. Результаты подтвердили, что прибор эффективно покрывает все необходимые углы для регистрации нейтронов. Однако «мёртвые зоны» детектора приводили к фоновому сигналу от протонов, что искажало картину.
Для решения этой проблемы исследователи применили алгоритмы машинного обучения, которые позволили надёжно отделять истинные сигналы от нейтронов от ложных. Это открыло возможность провести первое в истории прямое исследование DVCS на нейтронах. Полученные измерения были интегрированы в теоретическую модель, известную как обобщённое партонное распределение (GPD). Эта модель даёт детальную трёхмерную картину распределения кварков и глюонов внутри нуклона.
Прорыв в понимании спина нуклона
Благодаря этому достижению научная группа смогла определить ключевой параметр — GPD E, который критически важен для понимания вклада кварков во вращение (спин) нуклонов. «GPD E исключительно важен, поскольку он предоставляет нам прямую информацию о спиновой структуре нуклонов», — подчёркивает Сильвия Николаи.
Сравнивая экспериментальные данные для протонов и нейтронов, учёные также смогли выделить вклад кварков разных «ароматов». Эта работа имеет потенциал для разрешения так называемого «кризиса спина нуклона» — парадокса, открытого в конце XX века, когда выяснилось, что кварки отвечают лишь за небольшую часть общего спина протона, что поставило под сомнение ранние модели. Новые данные углубляют наше понимание внутренней динамики элементарных частиц.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Внутри атома находятся три типа частиц: электроны, протоны и нейтроны.