Впервые получено указание на «внутреннее очарование» в протоне

Рис. 1. Протон, летящий с околосветовой скоростью, можно представлять себе как взаимопроникающие облака всевозможных кварков, антикварков и глюонов. Но встречаются ли среди них очарованные кварки? Рисунок из статьи H. Gao, 2021. Antimatter in the proton is more down than up

Протон состоит из трех кварков — но только пока он неподвижен. Если же протон пролетает мимо нас на околосветовой скорости, его состав кардинально меняется и может включать, среди прочего, и небольшую долю тяжелых «очарованных» кварков. Эта идея была высказана почти полвека назад, но до сих пор ее справедливость не удавалось подтвердить в эксперименте. Недавно коллаборация NNPDF, проанализировав результаты нескольких тысяч измерений и обновив свое описание устройства протона, впервые получила четкое указание на то, что очарованные кварки и антикварки действительно присутствуют в протоне.

Из чего состоит протон?

Квантовый мир и так полон удивительных явлений, которые не вписываются в рамки повседневной интуиции, но, когда квантовые частицы еще и движутся с околосветовыми скоростями, появляются новые сюрпризы.

Вот простой, казалось бы, вопрос: из чего состоит протон? Оказывается, ответ зависит от того, из какой системы отсчета мы этот протон наблюдаем. Если он неподвижен или движется медленно, то годится школьный ответ: протон состоит из трех кварков [uud], скрепленных сильным взаимодействием, этаким коконом из глюонного силового поля. Но если протон пролетает мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, то в нем, помимо трех исходных кварков (их называют «валентными»), присутствует большое количество дополнительных (на физическом жаргоне — «морских») кварков и антикварков, а также глюонов. Все эти частицы коллективно называются партонами; они летят вместе с валентными кварками и несут в себе существенную долю энергии и импульса всего протона. Именно эти взаимопроникающие и взаимодействующие облака из всевозможных партонов и представляет собой то, что мы воспринимаем как цельный протон (рис. 1).

Как такое, в принципе, может быть? Откуда берется эта толпа частиц, которых не было в неподвижном протоне? Ответ в том, что эти объекты, на самом деле, были и в неподвижном протоне, просто они выглядели не как полноправные частицы, а как квантовые флуктуации силового поля, скрепляющего три кварка. Если же протон пролетает на околосветовой скорости, характеристики этих флуктуаций меняются, и они становятся практически реальными частицами, населяющими протон. Подробнее об этих удивительных метаморфозах протона можно прочитать в популярной статье Многоликий протон, а также в недавней новости Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона («Элементы», 01.03.2021).

Из этого наблюдения вытекают новые вопросы, которые выводят нас на передней край физики элементарных частиц. Из каких именно кварков и антикварков и в каких пропорциях состоит протон? Можно ли этот сложный состав вычислить теоретически и проверить экспериментально?

Теоретически вычислить точный состав быстро летящего протона пока не представляется возможным — по крайней мере, на сегодняшний день. Но это вовсе не означает, что все пропало. Состав протона можно исследовать экспериментально, сталкивая эти самые протоны друг с другом или с иными частицами. Для этого физики параметризуют (то есть пытаются угадать) распределение кварков, антикварков и глюонов внутри протона, а затем на основе этой параметризации вычисляют вероятности тех или иных процессов, которые могут произойти в столкновении протонов большой энергии. Результаты вычислений сравнивают с измерениями, и физики пытаются подобрать такую параметризацию партонных распределений, чтобы результат вычислений как можно точнее совпадал с экспериментами.

Одним словом, определить состав протона трудно именно потому, что «рецепт» его устройства приходится выцарапывать у природы вот таким косвенным способом.

Тяжелые кварки в протоне

Изучение структуры быстро летящего протона ведется уже более полувека. Новые коллайдеры приходят на смену старым и приносят новые данные, которые охватывают все больший диапазон энергий столкновений и импульсов рожденных частиц. Тщательные измерения дифференциальных сечений десятков и сотен разных процессов позволяет все точнее угадывать долю тех или иных партонов внутри протона и их распределение по доли протонного импульса, которую они несут. В процессе этого исследования разрешаются некоторые давние загадки или возникают новые.

Например, вот уже несколько десятилетий физики изучают, как из свойств партонов возникает спин протона (см. Так из чего всё-таки складывается спин протона?, «Элементы», 24.09.2013). Также, в прошлом году мы рассказывали о том, как физики пытаются разобраться, каких антикварков в протоне больше — анти-u или анти-d. И вот сейчас, в середине августа, в журнале Nature появилась статья теоретиков, которая приподнимает еще одну завесу тайны в устройстве протона, над которой физики бились свыше 40 лет.

Рис. 2. Условное изображение того, как в протоне наряду с тремя валентными кварками (красные линии) может на некоторое время возникнуть тяжелая кварк-антикварковая пара. Изображение из статьи S. J. Brodsky et al., 2015. A review of the intrinsic heavy quark content of the nucleon

Речь идет о вопросе, входят ли в состав быстро летящего протона тяжелые кварки, а конкретно — так называемые очарованные кварки с. Вопрос нетривиальный. Описанная выше картина позволяет легко представить, как внутри протона появляются и исчезают многочисленные легкие кварки и их антикварки (u, d, s), ведь их массы существенно меньше массы протона. Но очарованный кварк в полтора раза тяжелее протона; а значит, c-анти-c пара тяжелее протона уже в три раза. Неужели такой тяжелый объект может входить в состав более легкого?

Конечно, закон сохранения энергии и импульса никто нарушать не собирается. И если речь идет о том, что внутри протона появляется c-анти-c пара (см. рис. 3), то, во-первых, она возникает лишь на некоторое время, а во-вторых, эти кварки — не полноценные, а виртуальные. С этими оговорками уже нет никаких препятствий для того, чтобы принять, что виртуальные очарованные кварки действительно можно найти внутри быстро летящего протона — с небольшой, но ненулевой вероятностью. Более того, в обзоре 2015 года, посвященном этой проблеме, прямо сказано, что такой вывод с необходимостью следует из теории сильного взаимодействия (S. J. Brodsky et al., 2015. A review of the intrinsic heavy quark content of the nucleon). Вопрос только в том, какова эта вероятность и можно ли ее достоверно почувствовать в каком-нибудь эксперименте.

Тут следует подчеркнуть еще одну тонкость — их в этом вопросе немало. Если мы столкнули друг с другом два протона и обнаружили, что в результате родились адроны с очарованным кварком в своем составе, то это еще не значит, что очарованные кварки присутствовали в протоне изначально. Скорее всего, они просто родились в самом столкновении либо за мгновение до него. Такое происхождение новых частиц не вызывает удивления: физики, собственно, для этого и сталкивают протоны, чтобы произвести на свет тяжелые частицы.

Но нас ведь интересует не это. Нам требуется узнать, были ли очарованные кварки в протоне изначально, существовали ли они внутри него пусть не всегда, но в течение некоторого значительного времени до столкновения. Такое участие очарованных кварков в формировании структуры протона называется «внутренним очарованием» протона (intrinsic charm). Вот его опознать намного труднее. Именно вокруг вопроса о «внутреннем очаровании» протона шли споры, то разгораясь, то затухая, с 1980 года, с момента первой публикации на эту тему (S. J. Brodsky et al., 1980. The intrinsic charm of the proton). И надо сказать, несмотря на сотни работ на основе упрощенных моделей устройства протона, ситуация оставалась запутанной, главным образом из-за невозможности проверить эти предсказания каким-то одним прямым экспериментом.

Недавние результаты коллаборации NNPDF

Выше мы уже упоминали, что, хотя партонные распределения нельзя измерить в чистом виде, их можно «угадать» путем сравнения с экспериментом. Существует ряд исследовательских групп, которые раз в несколько лет обрабатывают новые экспериментальные данные и подбирают функции партонных распределений, приводящие к наилучшему согласию с экспериментом. Коллаборация NNPDF — одна из таких групп. Буквы «NN» в ее названии означают Neural Networks (нейронные сети), поскольку анализ этой группы существенным образом опирается на методы машинного обучения.

Коллаборация NNPDF публикует параметризации партонных распределений уже почти 20 лет. Недавно она обновила свой анализ, учтя несколько тысяч экспериментальных результатов и настроив свои партонные распределения на эти данные (см. подробности в 119-страничной статье R. D. Ball et al., 2022. The path to proton structure at 1% accuracy). Большое число экспериментальных данных и улучшенная методика анализа позволили авторам уменьшить погрешности определения партонных плотностей. Именно благодаря уменьшившимся погрешностям авторам удалось «прощупать» те особенности в устройстве протона, про которые раньше было сложно сказать что-то более определенное. В частности, в отдельной статье, удостоившейся публикации в Nature, впервые было получено указание на то, что в протоне действительно присутствует «внутреннее очарование».

Рис. 3. Распределение «внутренних» (intrinsic) очарованных кварков и антикварков в протоне по величине x — доле протонного импульса, которую эти кварки несут. Сплошная синяя линия — результат анализа обсуждаемой статьи; светло-синяя область — погрешности этого анализа; оранжевая и зеленая линии — предсказания двух упрощенных моделей. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

На рис. 3 воспроизведен один из ключевых результатов обсуждаемого исследования. Здесь сплошной синей линией показан вклад очарованных кварков и антикварков в устройство протона, причем речь идет именно о «внутреннем», исходном присутствии очарованных кварков в протоне до его столкновения. Эта величина приведена как функция переменной x — доле протонного импульса, которую эти кварки несут. Тот факт, что кривая имеет широкий максимум в районе x = 0,5, означает, что если уж нам посчастливилось встретить очарованный кварк или антикварк в протоне, то скорее всего он будет нести примерно половину протонного импульса.

Видно также, что кривая поднимается невысоко, до значения примерно 0,015. Получается, очарованные кварки все-таки встречаются в протоне довольно редко: c-анти-c пара может возникнуть на какое-то время, но затем аннигилирует. Или, если то же выразить иначе, если вы в какой-то момент времени смогли бы сделать «моментальный снимок» протона, то в подавляющем большинстве случаев очарованных кварков вы бы там не нашли. Зато в том редком случае, когда c-анти-c-кварковая пара в протоне присутствует, она будет нести почти весь протонный импульс. Если же усреднить по всем «ипостасям» протона, то окажется, что очарованные кварки или антикварки в среднем несут чуть меньше одного процента от полного импульса протона.

Насколько надежны эти выводы? Ответ дает светло-синяя область на графике, которая показывает величину неопределенностей. При значении x ниже 0,25 погрешность так велика, что захватывает нуль. Это значит, что данный анализ не позволяет определить, имеются ли в протоне очарованные кварки с таким небольшим импульсом. Однако в районе x = 0,5 неопределенности уменьшаются, и кривая идет выше нуля с большим запасом. Если к тысячам прежних измерений добавить новые данные детектора LHCb, опубликованные лишь полгода назад, погрешности уменьшатся еще сильнее, и синяя кривая будет в своей средней части отличаться от нуля более чем на три стандартных отклонения. Именно эти заветные 3σ и позволили авторам работы впервые заявить о том, что они действительно видят надежное указание на «внутреннее очарование» протона.

Итак, можно достаточно уверенно говорить, что «внутренний чарм» протона реален и что его распределение по x более-менее соответствует ожиданиям простых моделей, включая самую первую оценку 1980 года. Впрочем, этот результат следует рассматривать не как изолированное достижение (и тем более — не как сенсацию), а лишь как еще один шаг на пути к детальному пониманию устройства протона и, более широко, физики сильного взаимодействия. Возможно, когда-нибудь мы научимся вычислять вклад очарованных кварков на основе одной лишь чистой теории. Но до тех пор мы можем все лучше определять его вклад, исходя из экспериментальных данных, тем самым уточняя предсказания для будущих экспериментов.

Источник: The NNPDF Collaboration. Evidence for intrinsic charm quarks in the proton // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04998-2.

См. также:
1) Evidence at last that the proton has intrinsic charm — популярное изложение обсуждаемой работы в разделе News and Views журнала Nature.
2) Марат Хамадеев, В протоне нашли внутреннее очарование («N+1», 18.08.2022).
3) Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона («Элементы», 01.03.2021) — еще один недавний результат касательно партонных распределений в протоне.

Игорь Иванов