У протонов есть постоянный спин, который является внутренним

Category: Исследования
URL: http://hi-news.ru/science/krizis-spina-protona-poluchil-novoe-razvitie.html
Key: Спиновая структура протона, кризис спина протона, спиновая загадка протона.
Description: Ученые доказали предположение, что появлению спина протона
способствуют глюоны, которыми соединяются кварки внутри протона. Вклад кварков в
спин протона частичен.
Title: Ученые выяснили новые факты в решении «спиновой загадки» протона
Article:
Вот уже более 25 лет физики пытаются ответить на вопрос о спиновой структуре протона.
Известно, что протон состоит из трех кварков. И первоначально ученые предполагали, что
спин протона был суммой спинов трех составляющих его кварков. Но в 80-е годы
прошлого столетия экспериментальным путем было выяснено: вклад кварков в
суммарный спин протонов частичен. Тогда откуда берется остальная часть спина
протона? В этом вопросе и суть так называемого кризиса спина протона («спиновой
загадки»), над которой ученые бьются до сих пор.
До настоящего времени было выдвинуто предположение, что появлению спина
способствуют глюоны, которыми соединяются кварки внутри протона. Эту идею
поддерживает ряд исследований на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в
Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне (штат Нью-Йорк). В ходе этих
исследований анализируются столкновения протонов.
Inner Titl: Мир кварков и глюонов
Глюоны дают внутри протона сильное ядерное взаимодействие, они являются той
фундаментальной силой, которая связывает кварки. Спин глюона равен единице. И в
зависимости от направления, в котором вращаются глюоны, можно было бы составить
оставшуюся часть спина протона.
Измерить глюоны довольно непросто. Релятивистский коллайдер — единственная
возможность это сделать, так как он единственный ускоритель частиц, который построен
для столкновения «спин-поляризованных» протонов. То есть в нем спин всех частиц будет
в одном направлении, когда они столкнутся. Так, к примеру, на более мощном
швейцарском Большом адронном коллайдере спин частиц не выравнивается.
Взаимодействие двух столкнувшихся протонов контролируется мощной силой, и глюоны
принимают в этом непосредственное участие. Если спин глюона — важная составляющая
спина протона, то направление спинов сталкивающихся протонов влияет на результат.
Ученые ожидали, что столкновение между двумя протонами, спины которых выровнены,
произойдет на другой частоте, чем тогда, когда сталкиваются протоны со спинами,
направленными в противоположные стороны. И последние данные с RHIC подтвердили:
разница есть.
Blockquote:
«Если нет определенных позиций, разница будет равна нулю, — говорит физик Хуан Рохо
из Университета Оксфорда. — Если асимметрия не нулевая, распределение спина не
будет тривиальным».
Команда Рохо рассчитала, что глюоны, вероятно, вносят половину спина в свойства
протона.
Даниель де Флориан из Университета Буэнос-Айреса, опубликовавший в июле одну из
новых работ на эту тему, вместе со своими коллегами проанализировал те же данные с
RHIC. Но они применили другой математический анализ для расчета вклада глюонов.
Однако выводы ученых схожи. Вклад спина глюонов в спин протона существенно важен.
Blockquote:
«Эти данные впервые показали, что поляризация глюонов ненулевая; глюоны
поляризованы. В принципе, они могут быть ответственны за остаток спина протона, но
неопределенность крайне высока» – говорит Де Флориан.
Inner Titl: Впереди еще эксперименты
Конечно, «спиновая загадка» еще не разрешена. Обе команды физиков утверждают, что
их работа только начало для дальнейших исследований. Лучшим кандидатом для таких
экспериментов будет строительство электрон-ионного коллайдера в Брукхейвене. Он
будет сталкивать поляризованные протоны при более высоких энергиях, чем RHIC, и
сможет определить вклад глюонов в спин протона в диапазоне более высоких, чем сейчас,
энергий.
Если спин глюонов не компенсирует полностью недостающий спин протона, то они могут
давать вклад в протон за счет своего орбитального углового момента. Так же, как Земля
вращается вокруг своей оси, а также вращается вокруг Солнца, кварки и глюоны имеют
свой собственный внутренний спин наряду с угловым моментом, который появляется в
результате их движения вокруг центра протона.
Теперь вопрос состоит в том, какую часть суммарного спина обеспечивает каждый из
элементов.
Решение кризиса спина протона имеет важное значение не только для понимания спина,
но и для изучения того, как протоны и многие другие частицы получают свою массу.
Недавно обнаруженный бозон Хиггса, как утверждают ученые, ответствен за оснащение
массой всех других частиц. По мнению Рохо, это не вся правда. В дополнение к
механизму Хиггса должен быть и другой процесс, дающий протонам массу. Это процесс
объяснит, почему кварки и глюоны всегда обнаруживаются вместе в других частицах
вроде протона и никогда — по одиночке. Динамика этой связи, называемой конфайнмент,
также влияет на поляризации спина кварков и глюонов.
Blockquote:
«Одной из сложнейших проблем современной теоретической физики является понимание
конфайнмента, — говорит Рохо. — Чем лучше мы поймем поляризационное
распределение кварков и глюонов, тем ближе мы приблизимся к пониманию
конфайнмента. Поняв механизм конфайнмента, мы поймем и откуда протон берет свою
массу».
В настоящее время исследование структуры протона – одна из самых активных задач
физики высоких энергий. И не только в теоретическом смысле. Спин протона
используется в астрономии при исследовании Вселенной. В медицине с ним связан метод
магнитно-резонансной томографии. Так что, решение спиновой загадки будет иметь и
прикладное значение.