Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона

Рис. 1. Слева: протон, летящий с околосветовой скоростью, можно представлять себе как взаимопроникающие облака всевозможных кварков, антикварков и глюонов. Справа: при столкновении быстро летящего протона (beam proton) с неподвижным протоном мишени (target proton) возможна аннигиляция антикварка с кварком и возникновение мюон-антимюонной пары. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Сколько антивещества в быстро летящем протоне? Каких антикварков в нем больше — анти-d или анти-u? Как они распределены по энергии? От ответов на эти вопросы зависят, в том числе, и предсказания для Большого адронного коллайдера по поиску гипотетических тяжелых частиц. Двадцать лет назад эксперимент NuSea поставил теоретиков в тупик, выдав необъяснимое отношение анти-d/анти-u. На днях в журнале Nature были опубликованы результаты нового эксперимента SeaQuest, длившегося несколько лет, который опроверг аномалию NuSea и расставил все по своим местам. Успех SeaQuest позволяет надеяться на прояснение и других сложных вопросов устройства протона.

Богатые внутренности протона

Если окинуть единым взглядом весь ландшафт современной физики элементарных частиц, то все многообразие вопросов можно разбить на два широких класса: вопросы о структуре и вопросы о динамике. То есть, какие фундаментальные частицы, силы и законы существуют в микромире на самом глубоком уровне и как эти «строительные кирпичики Вселенной» складываются в те реальные структуры, что мы наблюдаем вокруг нас.

Первый тип вопросов завораживает широкую публику: здесь обитают бозоны Хиггса, суперсимметрия, новые гипотетические частицы и взаимодействия, многомерные пространства, микроскопические черные дыры и прочая экзотика. Эти задачи, конечно, интересуют и самих ученых; в конце концов, главная задача Большого адронного коллайдера — как раз поиск Новой физики, неоткрытой пока грани нашего мира. Задачи из второй группы обычно не вызывают подобного ажиотажа у читателей — ведь они касаются обычных, уже открытых частиц. Однако для самих физиков они представляются не менее сложными и запутанными, а открывающиеся в процессе исследования явления могут быть по-настоящему красивыми. Это словно игра в своеобразные шахматы с природой: фигуры известны, правила известны, но начинаешь играть — и обнаруживаешь целую бездну структур, закономерностей, красот, которые возникают как будто из ничего.

Вот, например, вопрос, мучающий физиков уже почти век: из чего состоят протоны и нейтроны? Есть простой ответ, его проходят даже в школе: из трех кварков сорта u или d. Электрический заряд равен +2/3 в единицах элементарного заряда для u-кварка и −1/3 для d-кварка. Кварковый состав протона — uud, нейтрона — udd. Кварки не разлетаются, поскольку их скрепляет сильное взаимодействие, которое выглядит в микромире как постоянный обмен частицами-переносчиками — глюонами. Все просто, все понятно.

Однако этот ответ более-менее адекватно описывает устройство лишь неподвижного или медленно движущегося протона (рис. 2, а). В быстро движущемся протоне испущенные глюоны уже некоторое время летят рядом с кварками, прежде чем их поглотит другой кварк (рис. 2, б). А при скорости, очень близкой к скорости света, и сами глюоны, и кварк-антикварковые пары, на которые они порой расщепляются в полете, уже летят так долго, что становятся полноправными составляющими протона (рис. 2, с). Эти кварки, антикварки и глюоны, материализовавшиеся из силового взаимодействия, возникшие словно из пены морской, так и называются на физическом жаргоне — морскими (sea quarks), в противовес основательным, «валентным» кваркам, которые присутствовали в протоне изначально.

Рис. 2. Схематичный вид протона в трех системах отсчета, в которых протон покоится (а) или движется с умеренно большой (б) и околосветовой скоростью (с). Сплошные линии — кварки, пунктирные линии — глюоны

В результате протон на околосветовой скорости предстает перед нами как мешанина большого числа глюонов, кварков и антикварков, причем среди них встречаются и такие, которых в неподвижном протоне не было (подробнее см. в популярной статье Многоликий протон). Все эти частицы, которые в этой ситуации называют общим термином «партоны» (от английского part — часть), постоянно взаимодействуют друг с другом и, в результате, приходят в динамическое равновесие. Каждый партон в любой конкретный момент времени несет небольшую долю x от всего огромного импульса протона. Однако эта доля не фиксирована; она может быть самой разной, от нуля до единицы — но только с разной вероятностью. Так в теоретическом рассмотрении пояляются партонные плотности — распределения вероятности встретить в протоне такой-то партон с долей полного импульса x.

Партонные плотности играют важнейшую роль в столкновениях протонов с очень большой энергией. Когда два таких протона сталкиваются друг с другом и порождают новую тяжелую частицу, например, бозон Хиггса, то по-настоящему жесткое соударение испытывает лишь один партон из одного протона, и один — из другого. Остальные «соучастники» столкновения играют роль наблюдателей; они просто пролетают мимо и уже потом «спохватываются», что из их коллектива выбили какую-то важную часть.

Из одного этого словесного описания становится понятно, что для точного расчета вероятности рождения тех или иных тяжелых частиц надо знать, какие партоны есть внутри протона и каковы их партонные плотности. И вот тут возникает серьезная проблема — как раз из той, второй группы задач, над которыми тысячи физиков работают годов так с 70-х. Физики не могут теоретически вычислить партонные плотности внутри протона! Проблема тут не в точности расчетов, не в вычислительных ресурсах, а в том, что сам подход, который хорошо работает в жестком столкновении, неприменим для обсчета динамического равновесия, складывающегося внутри протона. Это реальная головная боль всей физики сильных взаимодействий, всех коллайдерных расчетов. Максимум, что удается сделать — извлечь эти распределения из одних экспериментальных данных и, нужным образом обработав, использовать для предсказаний в других. Сейчас это большая вычислительная индустрия, в которую вовлечены команды физиков-расчетчиков, каждые несколько лет обновляющих свои предсказания. Именно на основе их партонных плотностей делаются расчеты для того же Большого адронного коллайдера.

Каких антикварков в протоне больше?

Возьмем один конкретный вопрос, который важен для коллайдерных предсказаний: сколько в протоне антикварков того или иного типа и как они распределены по доле импульса x? В частности, каких антикварков больше — анти-d или анти-u? Вопросы очень непростые. С одной стороны, антикварки в протоне возникают, когда глюоны расщепляются на кварк-антикварковые пары. Казалось бы, с точки зрения сильного взаимодействия нет никакой разницы, на что глюонам расщепляться — на d-анти-d или u-анти-u. Однако это расщепление происходит не в вакууме, а внутри протона, уже забитого под завязку партонами всех мастей, которые способны вмешиваться в процесс и могут привести к дисбалансу между анти-d и анти-u.

Поскольку расчеты на основе фундаментальных уравнений не приводят к успеху, теоретики строят приближенные модели и с их помощью пытаются предсказать распределение антикварков в протоне. Пожалуй, проще всего проиллюстрировать эту работу мысли с помощью старой доброй модели мезонного облака. В этом подходе мы не вглядываемся вглубь протона, а отодвигаемся и глядим на него целиком. Протон может на время испустить π⁰-мезон (в котором поровну комбинаций d-анти-d или u-анти-u), оставаясь при этом протоном (рис. 3). Он может также на время превратиться в нейтрон, испустив π⁺-мезон (кварковый состав u-анти-d). А вот π⁻-мезон (состав d-анти-u) он испустить не способен, потому что тогда ему пришлось бы превратиться в частицу с зарядом +2, а таких частиц близкой массы нет. Как видите, это простое рассуждение предсказывает, что анти-d-кварков в протоне должно быть больше, чем анти-u.

Рис. 3. Процесс испускания протоном пи-нуль-мезона, который в течение некоторого времени будет сопровождать протон и потом им поглотится. Рисунок с сайта nature.com

Модель мезонного облака имеет свои ограничения, поэтому теоретики выдвигали и альтернативные подходы. Достаточно упомянуть, что каждые несколько лет появляется обзор новых достижений в этом направлении (последний был опубликован в 2019 году), а также проводятся специальные рабочие конференции, призванные координировать усилия в этом направлении (см. материалы двухнедельного рабочего совещания The Flavor Structure of Nucleon Sea, прошедшего в 2017 году). Однако во всех подходах получается, что анти-d в протоне преобладают над анти-u — где-то сильно, где-то чуть-чуть.

Работа над уточнением предсказаний выглядела как обычный рабочий процесс, пока в 2001 году не были обнародованы загадочные результаты эксперимента NuSea, проведенного в Фермилабе, Национальной лаборатории им. Э. Ферми (США). Если при малых значениях x результаты подтверждали преобладание анти-d кварков, то в области x выше 0,2 картина кардинально менялась: вероятность встретить такой энергичный анти-u кварк стремительно росла, а анти-d кварки, наоборот, исчезали.

Такое поведение анти-d/анти-u не вписывалось ни в одну теоретическую схему. Теоретики либо опустили руки, либо строили еще более мудреные модели партонных плотностей. Было ясно, что для разрешения ситуации нужен новый, гораздо более точный эксперимент, чтобы подтвердить или опровергнуть такое парадоксальное поведение антикварков в протоне. Кроме того, расхождение между теорией и экспериментом в несколько раз вызывало серьезное беспокойство в плане предсказаний для Большого адронного коллайдера. Как же мы можем доверять результатам поиска тяжелых гипотетических частиц в столкновении кварков и антикварков, если мы настолько не уверены в количестве антикварков в самом обычном протоне?!

Завершение квеста

Подготовка нового эксперимента с кодовым номером E906 и названием SeaQuest в том же Фермилабе началась спустя несколько лет после результатов NuSea. Для него был сооружен отдельный детектор с двумя мишенями — с обычным водородом и с тяжелым водородом, дейтерием (детальное описание установки можно найти в статье C. A. Aidala et al., 2017. The SeaQuest Spectrometer at Fermilab). Пучок протонов с энергией 120 ГэВ из ускорительного комплекса Фермилаба попадал на эти мишени и порождал многочисленные частицы. При столкновении протона большой энергии с протоном или нейтроном мишени могут происходить разнообразные процессы, но физиков интересовал только один — аннигиляция анти-d или анти-u кварков налетающего протона с u- или d-кварками мишени. При аннигиляции на время рождается виртуальный фотон, который затем может распадаться на пары частиц и их античастиц. Из всех вариантов рожденных частиц выбирались самые удобные для исследования — мюон-антимюонные пары. Детектор SeaQuest регистрировал эти пары при каждом ударе протонного сгустка по мишени, отслеживал траектории мюонов и измерял их импульсы. Использование двух мишеней — водорода (ядро — протон) и дейтерия (ядро — слабо связанные протон и нейтрон) — было критически важно для разделения анти-u и анти-d кварков в налетающем протоне.

Установка SeaQuest была запущена в 2012 году в режиме отладки, а с осени 2013 года стартовали длительные сеансы набора данных. Первые предварительные результаты анализа данных начали поступать несколько лет назад, но только сейчас были наконец-то обнародованы долгожданные результаты на полной статистике эксперимента. Причем опубликованы они были не где-то, а в престижнейшем журнале Nature.

На рис. 4 показан ключевой график: отношение анти-d/анти-u в зависимости от доли протонного импульса x. Это результат, ради которого был построен новый детектор и велась работа в течение более чем десятилетия. Пустые кружочки с большими усами погрешностей — результаты старого эксперимента NuSea. Обратите внимание, что эти точки ныряют ниже единицы при максимальных доступных значениях x. Хотя они кардинально расходятся с теоретическими моделями (зеленые полосы), теоретики были вынуждены настроить свои параметризации партонных плотностей так, чтобы кривые загибались вниз, куда уходят данные NuSea (красная и синяя полосы). Все это делалось «против воли» теоретиков; они понимали, что в этой области с антикварками происходит что-то не то.

Рис. 4. Отношение анти-d-кварков к анти-u-кваркам в протоне в зависимости от доли импульса x. Точки с черными погрешностями — результаты NuSea 2001 года. Красные точки с желтыми погрешностями — результаты описываемого эксперимента SeaQuest. Цветные полосы — диапазоны разброса предсказаний различных теоретических моделей. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Эксперимент SeaQuest к огромному удовлетворению сообщества полностью устранил этот парадокс, беспокоивший физиков вот уже 20 лет. Данные нового эксперимента (красные точки с желтыми систематическими погрешностями) подтверждают, что анти-d-кварки преобладают над анти-u-кварками во всем диапазоне измеренных значений x. Точность новых измерений несравненно выше старых, поэтому можно однозначно сказать: SeaQuest опровергает результат NuSea в области x > 0,2.

Какие из этого результата следуют выводы? Во-первых, теоретики, потерявшие было веру в свои модели, могут выдохнуть: все стало на свои места. Более того, поскольку точность измерений SeaQuest намного выше, чем у NuSea, они могут теперь посоревноваться, чья модель лучше всего опишет данные без дополнительных подкруток. Может быть, это приблизит нас к пониманию, за счет какого именно механизма в протоне возникает асимметрия между анти-d и анти-u. Четкого ответа на этот вопрос до сих пор нет.

Во-вторых, новый результат — звоночек для тех теоретиков, которые выполняли расчеты по рождению на LHC гипотетических тяжелых бозонов с массами несколько ТэВ. Ведь сейчас получается, что все последние годы, под давлением эксперимента NuSea, теоретики занижали количество анти-d-кварков и завышали количество анти-u. Эти предсказания теперь придется пересмотреть. Вряд ли это приведет к сенсациям, но выправление столь существенной ошибки — важная часть вдумчивого, планомерного исследования всего, до чего может дотянуться LHC.

В-третьих, возвращаясь уже к самому протону, успех этого эксперимента позволяет замахнуться и на другие вопросы касательно структуры протона. Так, до сих пор продолжаются горячие споры относительно того, какие партоны формируют спин полязированного протона (см. обстоятельную новость Так из чего всё-таки складывается спин протона?, «Элементы», 24.09.2013). Может быть, антикварки тоже вносят существенный вклад, который до этого считался малым? В 2019 году на базе установки SeaQuest стартовал новый эксперимент SpinQuest, в ходе которого будут изучаться аналогичные процессы, но уже в поляризованных мишенях. Так или иначе, благодаря этой установке физиков в ближайшие годы ждет немало интересных результатов.

Источник: J. Dove et al. The asymmetry of antimatter in the proton // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03282-z.

См. также:
Кварки в быстролетящем протоне — задача для тех, кто хочет потренироваться в определении партонных распределений.

Игорь Иванов