Сжатые слоны в атомном ядре: ученые создали карту чудовищных сил внутри протона

Международная группа физиков впервые создала подробную карту сил, действующих внутри протона. Ученым удалось проследить , как ведут себя кварки - мельчайшие частицы, при столкновении с высокоэнергетическими фотонами. Это исследование позволило заглянуть глубже в структуру материи, чем когда-либо прежде.

В работе, которую возглавили специалисты из Университета Аделаиды, использовался революционный вычислительный метод - решеточная квантовая хромодинамика. Этот подход разбивает пространство и время на мельчайшую сетку, создавая виртуальную модель субатомного мира. Каждая точка этой системы содержит информацию о квантовых полях и их взаимодействиях.

Квантовая хромодинамика описывает сильное взаимодействие - одну из четырех фундаментальных сил природы наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Именно сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, не позволяя им существовать в свободном состоянии.

На созданной виртуальной решетке ученые смоделировали, как распределяется сильное взаимодействие в разных областях протона. Впервые удалось увидеть детальную картину того, как меняется интенсивность этой силы от точки к точке внутри частицы. Полученная карта силовых полей стала самой подробной в истории исследований природы на субатомном уровне.

Основные расчеты выполнил аспирант Университета Аделаиды Джошуа Кроуфорд вместе с международной командой. Для создания модели потребовались колоссальные вычислительные мощности, так как каждая точка пространства-времени требовала решения сложных квантовых уравнений.

Результаты превзошли все ожидания: несмотря на ничтожно малые масштабы (размер протона составляет около 10⁻¹⁵ метров) силы внутри частицы достигают колоссальных значений, до полумиллиона ньютонов. Для сравнения: такая сила эквивалентна весу десяти африканских слонов, сжатому в пространстве меньше атомного ядра.

При этом внутри протона постоянно происходит сложный квантовый танец: кварки обмениваются особыми частицами - глюонами, переносчиками сильного взаимодействия.

Созданные карты помогают понять, почему протон ведет себя определенным образом при высокоэнергетических столкновениях. Это особенно важно для экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК).

БАК, построенный Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), представляет собой кольцевой ускоритель длиной 27 километров, расположенный на глубине до 175 метров под землей. В нем протоны разгоняются до энергий 13 тераэлектронвольт, что делает его самым мощным ускорителем частиц в мире.

В создании и работе БАК участвуют более 10 000 ученых из сотен университетов и лабораторий более чем 100 стран. Этот гигантский научный инструмент позволяет проверять самые смелые теории физики элементарных частиц и искать новые явления в микромире.

Понимание внутренней структуры протона имеет не только фундаментальное, но и важное практическое значение. Одно из самых перспективных применений - протонная терапия для лечения рака. В этом методе пучки высокоэнергетических протонов точечно воздействуют на опухоль.

Преимущество протонной терапии в том, что протоны отдают большую часть своей энергии в конце пути - там, где находится опухоль. Это позволяет минимизировать повреждение здоровых тканей, через которые проходит луч.