Путем ограничения кварков исследователи намерены изучить, как материя приобретает свою массу

Предложен новый способ изучения кварков, одного из строительных блоков протонов и нейтронов, из которых, в свою очередь, состоят атомные ядра. Этого никогда не делалось раньше, и успех поможет ответить на многие фундаментальные вопросы физики. В частности, исследователи могли бы использовать новый подход для определения того, как материя приобретает свою массу.

Об этом рассказали в Токийском университете. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Изучение материи может показаться чем-то вроде открытия стопки матрешек, когда каждый уровень вниз открывает другой компонент, но иначе расположенный, который к тому же меньше, поэтому труднее для изучения, чем предыдущий. В повседневном масштабе у нас есть предметы, которые мы можем видеть и касаться. Будь то вода в стакане или сам стакан, они в основном состоят из молекул, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть.

Инструменты физики, микроскопы, ускорители частиц и т.д., позволяют нам заглянуть глубже и увидеть, что молекулы состоят из атомов. Но на этом дело не заканчивается - атомы состоят из ядра, окруженного электронами.

Ядро, в свою очередь, представляет собой совокупность нуклонов (протонов и нейтронов), которые придают атому его свойства и массу. Но и на этом все не заканчивается: нуклоны состоят из менее известных вещей, известных как кварки и глюоны. И именно на этом уровне наши знания о фундаментальной физике "наталкиваются на стену".

Чтобы исследователи могли изучать кварки и глюоны, в идеале они должны быть изолированными друг от друга; однако сейчас это кажется невозможным. Когда ускорители частиц разбивают атомы и создают потоки атомного мусора, кварки и глюоны снова связываются слишком быстро, чтобы исследователи могли изучить их в деталях. Новое исследование, проведенное на физическом факультете Токийского университета, позволяет предположить, что вскоре мы сможем открыть следующий слой матрешки.

"Чтобы лучше понять наш материальный мир, нам нужно проводить эксперименты, а чтобы улучшить эксперименты, нам нужно изучить новые подходы к тому, как мы делаем вещи", - сказал профессор Кенджи Фукусима. "Мы наметили возможный путь к определению механизма, ответственного за сцепление кварков. Это давняя проблема в физике, и если она будет решена, то может открыть некоторые глубокие тайны о материи и структуре Вселенной".

Масса субатомных кварков невероятно мала. В совокупности кварки в нуклоне составляют менее 2% от общей массы, а глюоны кажутся полностью безмассовыми. Таким образом, физики предполагают, что большая часть атомной массы на самом деле происходит от того, как связаны кварки и глюоны, а не от самих элементов.

Они связаны так называемым сильным взаимодействием, одной из четырех фундаментальных сил природы, включая электромагнетизм и гравитацию, и считается, что именно сильное взаимодействие придает нуклону массу. Это часть теории, известной как квантовая хромодинамика (КХД), где "хромо" происходит от греческого слова, означающего цвет, поэтому иногда можно услышать, что кварки называют красными, зелеными или синими, несмотря на то, что они бесцветны.

"Строгое доказательство того, что сильное взаимодействие порождает массу, остается недостижимым", - говорит Фукусима. "Препятствие заключается в том, что КХД описывает вещи таким образом, что теоретические расчеты затруднены. Наше достижение состоит в том, чтобы продемонстрировать, что сильное взаимодействие, при особом стечении обстоятельств, может реализовать ограничения кварков".

"Мы сделали это, интерпретировав некоторые наблюдаемые параметры кварков как новую переменную, которую мы назвали мнимой угловой скоростью. Хотя она имеет чисто математическую природу, ее можно превратить обратно в реальные значения вещей, которые мы можем контролировать. Это должно привести к возможности реализовать экзотическое состояние быстро вращающейся кварковой материи, как только мы научимся превращать нашу идею в эксперимент".

українською