Протоны оказались самой плотной формой материи во Вселенной – давление внутри них, как показывают замеры американских ученых, примерно в 10 раз выше, чем в центре нейтронных звезд. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.
"Мы нашли область экстремально высокого давления в центре протона, которая стремится вырваться наружу, и чуть более слабую и протяженную область, которая стремится обвалиться в сторону центра частицы, в ее периферийной части", — рассказывает Фолькер Буркерт (Volker Burkert) из Национальной ускорительной лаборатории имени Джефферсона в Ньюпорте (США).
По современным представлениям, все элементарные частицы состоят из небольших объектов, которые физики называют кварками и глюонами. Протоны, нейтроны и прочие "тяжелые" частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Их меньшие собратья, так называемые мезоны, содержат в себе два элемента – "обычный" кварк и антикварк, базовую составляющую антиматерии.
Кварки связаны между собой мощнейшими силами природы, так называемыми сильными ядерными взаимодействиями. Поэтому в чистом виде они не существуют, и для их "освобождения" необходимы гигантские температуры и энергии, которые существовали только в момент Большого взрыва. По этой причине свойства кварков и глюонов ученые изучают, создавая подобные условия на БАК и других мощных коллайдерах.
Этот феномен, который физики называют "конфайнментом" кварков, сегодня остается главным препятствием для изучения структуры элементарных частиц и поисков ответов на множество "главных вопросов" физики – к примеру, как родилась Вселенная и почему в ней нет антиматерии. Более того, остается непонятным и то, как работают сами сильные ядерные взаимодействия.
Долгое время, как отмечает Буркерт, ученые считали, что внутрь частиц нельзя заглянуть, не разрушая их, так как скрепляющие их взаимодействия в сотни и миллионы раз сильнее, чем гравитация или электромагнетизм, две других фундаментальных силы.
Американские физики нашли способ обойти эту проблему, используя две относительно новые теории, сформулированные Хайнцом Пагельсом и Ричардом Фейнманом в 1960 годах. Первая из них описывает то, как гравитоны, пока еще открытые переносчики гравитации, взаимодействуют с протонами и "уносят" с собой информацию об их структуре. Вторая, в свою очередь, объясняет то, как кварки внутри элементарных частиц влияют на то, в какую сторону те отталкивают пучки электронов, сталкивающиеся с ними.
Как обнаружили Буркерт и его коллеги, обе эти теории были связаны друг с другом, что позволило им составить первую "карту" недр протона, обстреливая сосуд с жидким водородом пучком электронов высокой энергии.
Когда электрон сталкивается с протоном, он передает часть своей кинетической энергии одному из кварков, используя виртуальный фотон, не существующий в реальности. Этот кварк, в свою очередь, выбрасывает в окружающую среду уже настоящую частицу света, чьи свойства будут зависеть от внутренней структуры протона.
Замеряя эти свойства фотонов и то, в какие стороны разлетелись протон и электрон, ученые смогли выяснить, как распределены источники сильных взаимодействий по протону и измерить давление, которое они порождают. Оно составляет фантастические 10 в 35 степени паскаль, что на порядок выше, чем давление в центре самых плотных объектов Вселенной – нейтронных звезд.
В ближайшее время Буркерт и его коллеги планируют "обстрелять" протоны электронами более высоких энергий, что позволит им повысить точность замеров и узнать некоторые другие их свойства, в том числе измерить точные размеры частицы и понять, почему данные по их радиусу, полученные разными способами, существенно расходятся.
Фото: © DOE's Jefferson Lab
