Эпический эксперимент с коллайдером может раскрыть тайну материи

Когда лауреат Нобелевской премии американский физик Роберт Хофштадтер и его команда запустили высокоэнергетические электроны в небольшой пузырек с водородом в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1956 году, 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, лишенными физических размеров. Теперь 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 последовали по всему миру на ускорителях - машинах, которые перемещают частицы до очень высоких энергий, - возвестили о смене парадигмы в нашем понимании материи.

Тем не менее, мы еще многого не знаем об атомном ядре, а также о “сильной силе“, одной из четырех фундаментальных сил природы, которая удерживает его вместе.

Теперь совершенно новый ускоритель, электронно-ионный коллайдер , который будет построен в течение десяти лет в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, США, с помощью 1300 ученых со всего мира, может помочь нам в понимании ядра. новый уровень.

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 типа подходят друг к другу, как Lego, где кварки определенной конфигурации составляют протоны, а затем протоны и нейтроны соединяются, чтобы создать ядро, а ядро ​​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 может помочь нам в аналитическом вычислении свойств протона. Это не вина наших теоретиков или компьютеров - сами уравнения просто не разрешимы.

Вот почему так важно экспериментальное изучение протона и других адронов: чтобы понять протон и силу, связывающую его, нужно изучить его со всех сторон. Для этого 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 бесконечное море пар кварков и их античастиц (античастицы почти идентичны частицам, но имеют противоположный заряд или другие квантовые свойства).

Брукхейвенская национальная лаборатория

Таким образом, хотя наше понимание материи в этом крошечном масштабе добилось большого прогресса за последние 60 лет, остается 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 может отображать структуру протона и ядра с мельчайшими деталями в самом широком диапазоне увеличений и строить трехмерные изображения их структуры и динамики. Именно это и будет делать новый коллайдер.

Электронно-ионный коллайдер (EIC) будет использовать очень интенсивный пучок электронов в качестве зонда, с помощью которого 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 своем 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, я и другие ученые сможем раскрыть структуру протонов и нейтронов, как она изменяется, когда они связаны сильным взаимодействием, и как создаются новые адроны.

Мы также могли бы выяснить, какая материя состоит из чистых глюонов - чего никогда не видели.

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

Недавно сформированные коллаборации ученых со всего мира, которые являются частью команды EIC, также разрабатывают детекторы, которые будут размещены в двух разных точках столкновения на коллайдере.

Аспекты этих усилий возглавляются британскими командами, которые только что получили грант на разработку трех ключевых компонентов детекторов и разработку технологий, необходимых для их реализации: датчики для точного отслеживания заряженных частиц, датчики для обнаружения электроны, рассеянные очень близко к линии луча и детекторам для измерения поляризации (направления спина) частиц, рассеянных при столкновениях.

Хотя может пройти еще 10 лет, прежде чем коллайдер будет полностью спроектирован и построен, вероятно, это того стоит.

Понимание структуры протона и, как следствие, фундаментальной силы, которая дает более 99 процентов видимой массы во Вселенной, является одной из величайших проблем современной физики.

Напомним, ранее сообщалось, что физики готовы перейти в четвертое измерение.

Источник