Последние данные по столкновениям протонов на ускорителе RHIC (США), полученные международным коллективом физиков с участием россиян, неожиданно показали значительный вклад «слабых» глюонов в суммарный спин протона.

Работая на сверхмощных ускорителях, исследователи мечтают открыть «новую физику», однако и старый знакомец – протон скрывает еще немало тайн и способен преподнести сюрпризы. Наиболее известная нерешенная проблема, связанная с протоном, это его «спиновая загадка».

Детектор PHENIX на ускорителе частиц RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США).

Художественная иллюстрация столкновения двух протонов с противоположной ориентацией спина (изображено как вращение в разные стороны). Разлетающиеся пионы изображены красным и зеленым шариками.

Символическое изображения перехода от представлений о трех кварках к сложной картине формирования спина протона. Глюоны изображены желтыми спиралями.

Спином называют имеющий квантовую природу собственный момент импульса частицы. Спин протона определяет оптические, электрические и магнитные свойства этой частицы. Поэтому понимание механизма его формирования необходимо как исследователям элементарных частиц, так и тем, кто использует протоны для практических целей, в частности, в методе магнитно-резонансной томографии, широко используемом для медицинской диагностики.

Установлено, что протон состоит из трех кварков. Казалось бы, спин протона должен  быть суммой их спинов, однако в 1980-е годы в экспериментах было обнаружено, что вклад кварков в суммарный спин протона не превышает и трети. Вопрос о природе недостающего спина и получил название «спиновой загадки». Ее решение стало одной из главных задач физики высоких энергий.

Ученые сразу предположили, что недостающая часть приходится на спин глюонов и орбитальные моменты кварков и глюонов, но точное соотношение еще предстояло найти. Глюоны – это частицы, обеспечивающие перенос сильного взаимодействия между кварками, которое «склеивает» их в протоне.

Новые неожиданные результаты по этой проблеме привела в недавно опубликованной статье в журнале Physical Review Letters D  коллаборация PHENIX. Она занимается исследованиями на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Этот ускоритель находится в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). В настоящее время в состав коллаборации входят около 600 ученых из почти 80 научных организаций, принадлежащим 14 странам мира. Из них шесть организаций (ИФВЭ, ИЯИ, НИЦ КИ, МИФИ, ПИЯФ, СПбПУ) представляют Россию.

Для выяснения роли глюонов физики сталкивали два пучка протонов со спинами, ориентированными как в одном направлении, так и в противоположных. RHIC – единственный в мире коллайдер, на котором можно столкнуть протоны с определенным направлением спина.

Детектор PHENIX измерял число частиц, называемых пионами, которые выходили из зоны столкновения перпендикулярно сталкивающимся пучкам. Наблюдаемая разница в числе пионов для разной ориентации спинов протонов служит показателем того, насколько спины глюонов «приведены в соответствие» и, следовательно, дают вклад в спин протона.

Анализируя столкновения протонов высоких энергий (порядка 500 Гигаэлектронвольт), исследователи получили представление о том, как множество глюонов, которые по отдельности несут очень небольшую часть общего момента импульса протона, дают существенный суммарный вклад в его спин. Этот вклад может быть даже больше, чем вклад от кварков.

Увеличение энергии сталкивающихся протонов позволяет исследовать роль глюонов, которые несут самое малое количество момента импульса. Здесь можно провести аналогию с микроскопом. Чем больше его увеличение, тем меньшие детали можно рассмотреть. Неожиданно оказалось, что такие «слабые» глюоны дают значительный вклад в суммарный спин протона.

Физики объяснили это тем, что их много. Чем меньше момент импульса, тем больше таких глюонов. Здесь надо учесть, что  протон, движущийся со скоростью, очень близкой к скорости света, будет выглядеть состоящим уже не из трех кварков, а из большого числа кварков, антикварков и глюонов, летящих рядом. Об их количестве один из сотрудников коллаборации ответил образно: «их море».

Физики планируют продолжить детальные исследования и, наконец, решить «спиновую загадку». А еще они мечтают обзавестись электронно-ионным коллайдером, который позволил бы использовать электронный луч для непосредственного исследования внутренней структуры протона с большей точностью. Он бы позволил определить распределение глюонов по импульсам и их пространственное распределение внутри протона.

По материалам Брукхейвенской национальной лаборатории