Протони при швидкостях, близьких до швидкості світла, виглядають як плоскі чорні диски. До такого висновку прийшли вчені, аналізуючи зіткнення протонів у Великому адронному колайдері та у космічних променях.

Як виглядає протон? Зазвичай, говорячи про «зовнішній вигляд», ми маємо на увазі зображення у видимій області спектру. Протони ж занадто малі, щоб розсіювати такі довжини світлових хвиль, тому вони «ніяк не виглядають» – так зазвичай відповідали на поставлене запитання вчені. Але сучасні експериментальні можливості іноді дозволяють розвінчати найстійкіші «офіційні» міфи.

Американські фізики Мартін Блок і Френсіс Халзен опублікували в авторитетному науковому журналі Physical Review Letters статтю, у якій стверджують, що протон, принаймні при високих енергіях, виглядає як чорний диск, найбільше схожий на сильно сплюснену хокейну шайбу.

Як ми добре знаємо зі шкільного підручника фізики, протони дуже малі (їхній розмір близько 1,6 фемтометра (10^-15 метра), мають позитивний заряд і складають разом з нейтронами атомне ядро. Протон складається із двох u-кварків (верхніх) і одного d-кварка (нижнього). Три кварки зв'язані один з одним сильними взаємодіями, переносниками якого є інші елементарні частинки – глюони. Всередині протона кипить життя: кварки переміщаються, обмінюються глюонами; пари частинка-античастинка постійно з'являються з вакууму та зникають у ньому. З огляду на ці непрості процеси і беручи до уваги змішану корпускулярно-хвильову природу протона (як і інші елементарні частки, він сполучає у собі властивості частинки і хвилі), зрозуміло, що завдання «намалювати» протон – не з простих.

Однак завдяки релятивістським ефектам, що виникають при швидкостях, близьких до швидкості світла, фізики мають уявлення про те, як протон теоретично виглядає, рухаючись із цією гігантською швидкістю (швидкість світла у вакуумі є однією з універсальних фізичних сталих і дорівнює 299 792 458 м/с). Внаслідок дії ефекту Лоренца (або Фіцджеральда) протон при надвисоких швидкостях повинен стиснутися у двовимірний диск (тобто диск, що не має товщини). Ефект скорочення Лоренца полягає у тому, що з погляду спостерігача предмети, що рухаються відносно нього, мають меншу довжину (лінійні розміри у напрямку руху), ніж їхня власна довжина. Множник, що виражає уявний стиск розмірів, тим сильніше відрізняється від одиниці, чим більша швидкість руху предмета.

У своєму дослідженні Блок і Халзен стверджують, що диск протона чорний.

Їхні висновки ґрунтуються на аналізі трьох різних експериментів – колаборацій ВАК Atlas і CMS, а також найбільшої у світі обсерваторії імені П’єра Оже (Аргентина), що спостерігає за космічними променями.

Фізики займаються вивченням протон-протонних зіткнень у спеціальних прискорювачах – колайдерах (від англійського collide – зіштовхувати) – протягом кількох десятків років. Вивчення продуктів взаємодії частинок у перерізі пучка (не всі протони поводяться як більярдні кулі - при зіткненні вони не просто розлітаються, а народжують безліч нових частинок) дозволяє не тільки вивчити внутрішню структуру протонів, але і розібратись у будові та властивостях величезного числа інших елементарних частинок, які народжуються при зіткненнях.

Блок і Халзен у своїй роботі підсумували результати вимірювань при двох різних енергіях, отриманих трьома різними експериментами. На пучку з енергією зіткнення 7 ТеВ (це найпотужніший на сьогодні пучок, що може генерувати тільки ВАК у CERN) колаборація ВАК Atlas виміряла непружні зіткнення протонів на площі 69.1 x 10^-27 см²), а колаборація ВАК CMS за допомогою зовсім іншого інструментарію провела незалежні вимірювання цього ж пучка на площі 68 x 10^-27 см². Третій експеримент стосувався протонів із космічних променів, що бомбардують Землю: частинки з енергією 57 ТеВ реєструвала обсерваторія імені П’єра Оже, площа перетину склала 90 x 10^-27 см². Для порівняння Блок і Халзен провели теоретичне моделювання відповідних експериментів, і результати виявилися близькими до спостережуваного.

Зіставивши їхні дані, вони розробили чисельну модель структури протона. Вона дозволяє «побачити», що відбувається у момент зіткнення двох протонів (саме це відбувається у Великому адронному колайдері, де вчені за допомогою складного комплексу магнітів прискорюють протони, а потім змушують їх перетинатися у певних точках).

«У нашій моделі, коли енергія протона досягає нескінченності, протон буде взаємодіяти з будь-якими частинками двома способами. Рівно половину часу він буде поводитися як більярдна куля (це відповідає пружному зіткненню), а другу половину він буде повністю поглинати частинки, що зіштовхуються з ним, (абсолютно непружне зіткнення)», - пояснює Халзен.Така модель відповідає поведінці чорного диска нульової товщини - саме цю форму припустили вчені для протона.

Крім того, поведінка протонів при енергії 57 ТеВ вже близька до гіпотетичної ситуації нескінченно великої енергії. Зазвичай, штучно створювані пучки протонів (як на ВАК) ще дуже далекі від створюваних природою у космічних променях. Однак співвідношення нееластичних і еластичних зіткнень у космічних променях близьке до 1:1, що підтверджує правильність моделі Блока та Халзена: при нескінченно великій енергії протон стає схожим на грамофонну платівку!

«Можливо, одного разу нам вдасться розробити обладнання, що дозволить реєструвати у космічних променях протони зі ще більшою енергією. Тоді ми зможемо створити більшу експериментальну базу для нашого моделювання», - підсумував Халзен.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: gazeta.ru