Мост между микромирами: физики объединили две реальности атомного ядра

В ядерной физике произошло историческое событие - международная группа ученых сумела воссоздать все наблюдаемые свойства атомных ядер, используя только кварки и глюоны. Как им это удалось и что это значит для науки?

Почти век назад физики обнаружили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Первоначально эти частицы считались неделимыми, пока в 1960-х годах не появилась гипотеза о том, что при достаточно высоких энергиях они проявляют свою внутреннюю структуру - кварки, удерживаемые вместе глюонами.

Несмотря на то, что существование кварков было подтверждено опытным путем, долгие десятилетия никому не удавалось с помощью кварк-глюонных моделей воспроизвести результаты ядерных экспериментов при низких энергиях, когда в атомных ядрах видны только протоны и нейтроны.

Доктор Александр Кусина, один из трех теоретиков из Института ядерной физики Польской академии наук, участвовавших в исследовании, объясняет: до сегодняшнего дня существовало два параллельных описания атомных ядер - одно для низких энергий, основанное на протонах и нейтронах, другое для высоких энергий, базирующееся на кварках и глюонах.

Физики изучают атомные ядра, сталкивая их с более мелкими частицами, чаще всего с электронами. При низких энергиях ядра ведут себя как структуры из нуклонов, а при высоких энергиях внутри них становятся видимыми партоны - кварки и глюоны.

В своей работе ученые использовали данные высокоэнергетических столкновений, в том числе собранные на ускорителе БАК в лаборатории ЦЕРН в Женеве. Основной целью было изучение партонной структуры атомных ядер при высоких энергиях с помощью функций распределения партонов (PDF).

Исследование сильно расширило функции распределения партонов. Ученые вдохновились ядерными моделями, описывающими низкоэнергетические столкновения, где протоны и нейтроны образуют сильно взаимодействующие пары: протон-нейтрон, протон-протон и нейтрон-нейтрон. В итоге для 18 изученных атомных ядер удалось определить функции распределения партонов, их положение в коррелированных парах нуклонов и даже количество таких пар.

Результаты подтвердили выводы из низкоэнергетических экспериментов: большинство коррелированных пар составляют пары протон-нейтрон. Особенно интересным этот результат оказался для тяжелых ядер, таких как золото или свинец.

Доктор Кусина отмечает, что улучшенное моделирование эффекта спаривания нуклонов привело к концептуальному упрощению теоретического описания. В будущем это поможет точнее изучать распределения партонов для отдельных атомных ядер.

Новые результаты открывают путь к более глубокому пониманию структуры атомного ядра, объединяя его высокоэнергетические и низкоэнергетические аспекты в единую картину.