Загадочная история с массой протона очевиднее всего демонстрирует, почему исследования кварков и глюонов столь сложны. У нас есть вполне четкое понимание того, каким образом кварки и лептоны (класс элементарных частиц, который включает и электроны) обретают свою массу.
Этот механизм возникает из бозона Хиггса и связанного с ним поля Хиггса, которое пронизывает все пространство. Когда частицы пролетают через это поле, их взаимодействие с этим полем наполняет их массой. Часто говорят, что механизм Хиггса служит причиной возникновения массы в наблюдаемой Вселенной. Это утверждение, однако, не соответствует действительности. Масса кварков составляет лишь 2% массы протона и нейтрона. Остальные 98%, как мы полагаем, возникают в основном из-за воздействия глюонов.
Число глюонов и кварков внутри всем хорошо известного протона может значительно изменяться.
Протоны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами. Частицы, называемые глюонами, сохраняют протоны и нейтроны в неизменном виде Кварки в протонах очень легкие, и, насколько известно ученым, глюоны вообще не имеют массы. Все же протоны намного тяжелее, чем объединенные массы трех кварков, которые они содержат.
Уже несколько десятилетий назад физики выяснили, что частицы, называемые глюонами, сохраняют протоны и нейтроны в неизменном виде - и таким образом удерживают Вселенную от разрушения.
В дополнение к трем основным кваркам вокруг как светлячки носятся, вспыхивая и тут же угасая, глюоны, число которых постоянно изменяется. Здесь же образуются и снова исчезают пары «кварк -антикварк». Результат -«квантовая пена» рождающихся и умирающих частиц. Физики полагают, что, когда протоны и нейтроны достигают экстремальных скоростей, глюоны внутри протонов расщепляются на пары новых глюонов, каждый со слегка меньшей энергией, чем число глюонов и кварков внутри всем хорошо известного протона может значительно изменяться Дочерние глюоны, в свою очередь, рождают новых дочерей с еще меньшей энергией. Такое расщепление глюонов напоминает поведение вышедшей из-под контроля машины для попкорна. Теория утверждает, что этот процесс мог бы продолжаться бесконечно, однако мы знаем, что этого не происходит. Если бы глюоны продолжили порождать новые, у машины для попкорна сорвало бы крышку -другими словами, протон стал бы нестабильным и разрушился.
Но поскольку материя очевидно стабильна (мы существуем), ясно, что нечто должно сдерживать этот каскад лавины, -но что? Одна из идей заключается в том, что природе удается установить знак максимальной населенности, когда глюонов становится так много, что они начинают перехлестываться друг с другом внутри протона. Сильные самовоздействия заставляют их отталкиваться друг от друга, и глюоны с меньшей энергией рекомбинируют, образуя глюоны с большей энергией.
Когда рост числа глюонов сходит на нет, глюоны достигают стабильного равновесного состояния -одинакового числа актов деления и рекомбинации, называемого глюонным насыщением, приводя тем самым машину для попкорна под контроль. Это гипотетическое состояние глюонного насыщения, часто называемое «конденсат цветного стекла», стало бы дистиллированной сущностью некоторых из самых сильных сил во Вселенной. До сих пор у нас есть только намеки на существование такого состояния, и его свойства еще полностью не выяснены.
Изучая это состояние с использованием экспериментов по глубоконеупругому рассеянию с энергией большей, чем это возможно сегодня, физики смогут «с близкого расстояния» изучать глюоны в их самой плотной, экстремальной форме. Возможно, поле силы, ограничивающее количество глюонов, которые могут образоваться внутри конденсата цветного стекла, -это то же самое удерживающее поле, что скрепляет протоны в первом случае? Если это так, то наблюдение одного и того же поля в различных обстоятельствах, может статься, даст нам новое понимание того, каким образом глюоны порождают это поле.
Происхождение массы
Кварки в протонах очень легкие и движутся в вакууме. Этот вакуум не пуст, - говорит Сергей Волошин, профессор Уэйнского государственного университета и участник эксперимента ALICE в ЦЕРН. Вакуум фактически заполнен волнообразными полями, которые постоянно образуют пары частица-античастица.
Три кварка, которые дают протонам свою идентичность, вечно сталкиваются с этими эфирными парами «частица-античастица». Когда один из этих кварков оказывается слишком близко к произведенному в вакууме антикварку, он исчезает во взрыве энергии.
Но протон не умирает, когда его кварк исчезает; скорее, партнерский кварк из созданной в вакууме пары «частица-античастица» занимает место уничтоженного кварка.
Ученые считают, что этот непрерывный обмен кварками является причиной того, что протон выглядит более массивным, чем сумма его кварков.
Хиральность
Внешне в этом обмене ничего не меняется. Уничтоженный кварк немедленно заменяется на вид идентичным близнецом, что затрудняет наблюдение за этим процессом. К счастью для ученых LHC, они не совсем идентичны: кварки, как и люди, могут быть левыми или правыми, концепция, называемая хиральностью.
Хиральность связана с квантово-механическим свойством, называемым спином, и примерно соответствует тому, вращается ли кварк по часовой стрелке или против часовой стрелки, когда он движется в определенном направлении в пространстве.
Из-за свойств вакуума замещающий кварк всегда будет иметь противоположную направленность от оригинала. Это постоянное переключение кварков -объясняют большую часть массы протона.
«Девяносто девять процентов массы может быть получено в результате этого процесса киральности в вакууме», - говорит Дмитрий Харзеев, теоретик атомной энергетики с совместным назначением в Университете Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. «Когда мы наступаем на шкалу, число, которое мы видим, может быть результатом этих переходов, отражающих хиральность».
Физика внутри магнитного поля
В 2004 году, когда Харзеев был главой группы по ядерной теории в Брукхейвенской лаборатории, у него возникла идея, каким образом они могли бы экспериментально найти доказательства переворота хиральности кварков, чего никогда не наблюдалось.
Поскольку кварки заряжены, они должны взаимодействовать с магнитным полем. «Обычно мы никогда не думаем об этом взаимодействии, потому что магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории, чрезвычайно слабы по сравнению с силой взаимодействий кварков друг с другом», - говорит Харзеев. «Однако мы поняли, что когда сталкиваются заряженные ионы, они сопровождаются электромагнитным полем, и это поле может быть использовано для исследования киральности кварков».
Когда были произведены расчеты, обнаружили, что положительно заряженные ионы, падающие друг в друга внутри коллайдера частиц, такого как LHC, будут генерировать магнитное поле на два порядка сильнее, чем на поверхности самого сильного из известных магнитных полей. Этого было бы достаточно, чтобы преодолеть сильное влечение кварков друг к другу.
В сильном магнитном поле движение кварка больше не является случайным. Магнитное поле автоматически сортирует кварки в соответствии с их хиральностью, а их направленность направляет их к северному или южному полюсу поля.
