Какую форму имеет быстролетящий протон?

Рис. 1. Схематичный вид высокоэнергетического протона (изображение из обсуждаемой статьи)

Теоретические расчеты показывают, что протоны и ядра, движущиеся с околосветовой скоростью, имеют форму не плоского диска, а двояко-вогнутой линзы.

Микромир живет по законам, которые очень непохожи на законы окружающего нас мира. Многие наслышаны про волновые свойства вещества или про то, что вакуум в квантовой теории — вовсе не пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц. Менее известно то, что само понятие «состава» сложных частиц является в микромире понятием относительным, зависящим от того, как вы на эту частицу посмотрели. А это, в свою очередь, влияет на «форму» составных частиц, например протона.

Недавний препринт On the shape of a rapid hadron in QCD стал яркой иллюстрацией этой идеи. Согласно представленным там теоретическим расчетам, протоны или атомные ядра, летящие со скоростью, очень близкой к скорости света, должны иметь форму вогнутой линзы — примерно такую, как показано на рис. 1.

Как возникает такой причудливый эффект? Объяснить его придется в несколько шагов.

Во-первых, протон — составная частица. Обычно говорят, что протоны состоят из кварков, скрепленных вместе глюонным полем, однако такое описание справедливо только для неподвижных или медленно движущихся протонов. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то намного корректнее его описывать в виде пронизывающих друг друга облаков кварков, антикварков и глюонов. Все вместе они называются «партоны» (от английского «part» — часть).

В квантовой теории количество партонов не фиксировано (это, в общем-то, относится ко всем частицам). Такой «закон несохранения» возникает из-за того, что каждый партон может расщепиться на два партона с энергией поменьше или, наоборот, два партона могут рекомбинировать — слиться в один. Оба этих процесса происходят постоянно, и в результате в быстролетящем протоне возникает некоторое динамически сбалансированное количество партонов. Причем это количество зависит от системы отсчета: чем больше энергия протона, тем больше в нём партонов.

В итоге получается несколько неожиданная картина, которая, на первый взгляд, даже противоречит теории относительности. Напомним, что в соответствии с теорией относительности продольный размер быстро движущихся тел сокращается. Например, шар (в своей системе покоя) выглядит сильно сплюснутым диском для быстро движущегося наблюдателя. Однако это «правило сплющивания» нельзя буквально переносить на протон, поскольку где в пространстве пролегает «граница протона» — зависит от системы отсчета.

С одной стороны, при переходе из одной системы отсчета в другую партонное облако действительно стремится сплющиться в согласии с теорией относительности. Но с другой стороны, при этом нарождаются новые партоны, которые как бы «восстанавливают» его продольный размер. В целом получается так, что протон — который является просто набором партонных облаков — вовсе не сплющивается с ростом энергии. Подробнее об этом необычном свойстве протона см. в заметке Как выглядит ультрарелятивистский протон - 1.

Все эти удивительные свойства партонных облаков были, на самом деле, поняты довольно давно, в начале 1970-х годов, когда создавалась современная теория сильных взаимодействий. Однако в последние годы стал активно изучаться новый режим в теории сильных взаимодействий — режим насыщения партонных плотностей. То, что при этом происходит с протоном, схематично показано на рис. 2.

Рис. 2. Схематичное изображение партонных плотностей в быстролетящем протоне. Чем выше энергия протона (слева направо), тем большее количество партонов находится внутри протона. Однако начиная с некоторой энергии партоны уже начинают мешать друг другу, и дальнейший рост партонных плотностей резко замедляется. Партоны выходят на режим насыщения. (Рисунок автора заметки)

Чем выше энергия протона, тем больше в нём находится партонов. Но они обладают поперечной протяженностью, и поэтому начиная с некоторой плотности они начинают мешать друг другу. Это значит, что поместить сюда еще больше партонов становится проблематично: новые партоны рекомбинируют с уже имеющимися, и партонная плотность не возрастет. Именно поэтому начиная с некоторой энергии рост партонных плотностей резко замедляется.

Теперь вернемся к продольному размеру протона. Раз рост партонных плотностей замедлился, то при переходе из одной системы отсчета в другую новые партоны уже не будут «успевать» полностью восстановить продольный размер протона. Получается, с ростом энергии выше некоторого предела толщина протона всё же начнет уменьшаться, правда медленнее, чем для обычного тела какой-то фиксированной формы. Можно сказать, что протон в режиме насыщения как бы «обретает плоть», становится более похожим на обычные тела.

И, наконец, последний шаг. Плотность партонов в центре протона выше, чем на его периферии. Поэтому с ростом энергии режим насыщения в центре протона начнется раньше, чем на краю. Но чем сильнее работает насыщение, тем сильнее сплющивается протон при данной энергии. В целом, получается так, что протон в центре становится тоньше, чем на краях, — то есть протон должен иметь вид вогнутой линзы.

Кстати, в статье также отмечается, что похожий эффект будет возникать и у ядер. Причем насыщение партонных плотностей будет для них сильнее, чем для отдельных протонов. В результате может получиться так, что тяжелое ядро, движущееся со скоростью, близкой к скорости света, будет тоньше, чем каждый из составляющих его протонов и нейтронов. Парадокса тут нет — просто партонные плотности от отдельных нуклонов, будучи волнами в квантовой теории, интерферируют друг с другом, оставляя лишь тонкий диск (а точнее, «линзу») вещества.

Источник: B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On the shape of a rapid hadron in QCD // препринт arXiv:0811.3737 (23 November 2008).

См. также:
Как выглядит ультрарелятивистский протон - 1 и Как выглядит ультрарелятивистский протон - 2 — чуть более технический рассказ об этой работе.

Игорь Иванов