Когда лауреат Нобелевской премии американский физик Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter ) и его команда в 1956 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей запустили в небольшой пузырёк с водородом высокоэнергетические электроны, они открыли дверь в новую эру физики. До этого считалось, что протоны и нейтроны, составляющие ядро ​​атома, являются самыми фундаментальными частицами в природе. Они считались «точками» в пространстве, лишёнными физических размеров. Теперь же внезапно стало ясно, что эти частицы вовсе не являются фундаментальными, а также имеют размер и сложную внутреннюю структуру.

Хофштадтер и его команда увидели небольшое отклонение в том, как электроны «рассеиваются», или отскакивают, при столкновении с водородом. Это предполагало, что в ядре есть нечто большее, чем точечные протоны и нейтроны, которые они себе представляли. Эксперименты, которые затем последовали по всему миру на ускорителях — машинах, которые разгоняют частицы до очень высоких энергий, — ознаменовали сдвиг парадигмы в нашем понимании материи.

Электронно-ионный коллайдер: новый ускоритель может разгадать загадку того, как материя держится вместе.
Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Изображение: Brookhaven National Laboratory

Тем не менее, мы всё ещё многого не знаем об атомном ядре, а также о «сильном взаимодействии», одном из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике, которые удерживают его вместе. Теперь совершенно новый ускоритель, электронно-ионный коллайдер, который будет построен в течение десятилетия в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, США, с помощью 1300 учёных со всего мира, может помочь нам вывести наше понимание ядра на новый уровень.

Сильная, но странная сила

После открытий 1950-х годов, вскоре стало ясно, что частицы, называемые кварками и глюонами, являются фундаментальными строительными блоками материи. Они являются составными частями адронов — собирательного названия протонов и других частиц. Иногда люди воображают, что частицы такого рода подходят друг другу, как конструктор Lego, где кварки определённой конфигурации составляют протоны, а затем протоны и нейтроны соединяются, чтобы создать ядро, которое, в свою очередь, ​​притягивает электроны, чтобы построить атом. Но кварки и глюоны — это совсем не статические строительные блоки.

Теория, называемая квантовой хромодинамикой, описывает, как сильное взаимодействие работает между кварками через глюоны, которые являются переносчиками силы. Однако это не в состоянии помочь нам в аналитическом вычислении свойств протона. И в данном случае это не вина наших теоретиков или компьютеров — просто сами уравнения не разрешимы.

Вот почему экспериментальное изучение протона и других адронов так важно: чтобы понять протон и силу, связывающую его, нужно изучить его со всех сторон. Поэтому ускоритель — наш самый мощный инструмент.

Тем не менее, когда вы смотрите на протон с помощью коллайдера (типа ускорителя, в котором используются два луча), то, что мы видим, зависит от того, насколько глубоко — и на что — мы смотрим: иногда он выглядит как три составляющих кварка, а иногда как океан глюонов или бесчисленное множество пар кварков и их античастиц (античастицы почти идентичны частицам, но имеют противоположный заряд или другие квантовые свойства).

Электронно-ионный коллайдер: новый ускоритель может разгадать загадку того, как материя держится вместе.
Как электрон, столкнувшийся с заряженным атомом, может раскрывать его ядерную структуру. Изображение: Brookhaven National Lab/Flickr, CC BY-NC

Таким образом, хотя наше понимание материи в этом крошечном масштабе за последние 60 лет значительно продвинулось вперёд, остаётся много загадок, которые современные инструменты не могут полностью решить. Какова природа удержания кварков внутри адрона? Как масса протона возникает из почти безмассовых кварков, которые в 1000 раз легче?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужен микроскоп, который мог бы отображать структуру протона и ядра с мельчайшими деталями в самом широком диапазоне увеличений и строить трёхмерные изображения их структуры и динамики. Именно это и будет делать новый коллайдер.

Экспериментальная установка

Электронно-ионный коллайдер (EIC) будет использовать в качестве зонда очень интенсивный пучок электронов, с его помощью можно будет разрезать протон или ядро ​​и посмотреть на структуру внутри него. Он будет делать это, сталкивая пучок электронов с пучком протонов или ионов (заряженных атомов) и наблюдая за тем, как электроны рассеиваются. Ионный пучок — первый в мире в своём роде.

Едва заметные эффекты, такие как процессы рассеяния, которые настолько редки, что вы наблюдаете их только один раз из миллиарда столкновений, станут видимыми. Изучая эти процессы, учёные смогут раскрыть структуру протонов и нейтронов, то, как она изменяется, когда они связаны сильным взаимодействием, и как создаются новые адроны. Исследователям также предоставится возможность выяснить, какая материя состоит из чистых глюонов — чего никогда ранее не видели.

Электронно-ионный коллайдер: новый ускоритель может разгадать загадку того, как материя держится вместе.
Схема эксперимента. Изображение: Brookhaven National Lab/Flickr, CC BY-NC

Коллайдер будет настраиваться на широкий диапазон энергий: это похоже на поворот шкалы увеличения на микроскопе — чем выше энергия, тем глубже внутрь протона или ядра можно заглянуть и тем более тонкие функции можно решить.

Недавно сформированные коллаборации учёных со всего мира, которые являются частью команды EIC, также разрабатывают детекторы, которые будут размещены в двух разных точках столкновения в коллайдере. Аспектами этой работы руководят команды из Великобритании, которые недавно получили грант на разработку 3-х ключевых компонентов детекторов и разработку технологий, необходимых для их реализации: датчики для точного отслеживания заряженных частиц, датчики для обнаружения электронов, рассеянных очень близко к линии пучка, и детекторы для измерения поляризации (направления вращения) частиц, рассеянных при столкновениях.

И хотя может пройти еще 10 лет, прежде чем коллайдер будет полностью спроектирован и построен, он, вероятно, будет стоить затраченных усилий. Ведь понимание структуры протона и, как следствие, фундаментальной силы, которая порождает более 99% видимой массы во Вселенной, является одной из величайших задач современной физики.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Комментарии

- комментариев