Шляхом обмеження кварків дослідники мають намір вивчити, як матерія набуває своєї маси

Запропоновано новий спосіб вивчення кварків, одного з будівельних блоків протонів і нейтронів, з яких, своєю чергою, складаються атомні ядра. Цього ніколи не робилося раніше, і успіх допоможе відповісти на багато фундаментальних питань фізики. Зокрема, дослідники могли б використовувати новий підхід для визначення того, як матерія набуває своєї маси.

Про це розповіли в Токійському університеті. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

Вивчення матерії може здатися чимось на кшталт відкриття стопки матрьошок, коли кожен рівень донизу відкриває інший компонент, але інакше розташований, який до того ж менший, тому важчий для вивчення, ніж попередній. У повсякденному масштабі у нас є предмети, які ми можемо бачити й торкатися. Чи то вода у склянці, чи то сама склянка, вони в основному складаються з молекул, занадто маленьких, щоб їх можна було побачити.

Інструменти фізики, мікроскопи, прискорювачі частинок тощо, дають нам змогу зазирнути глибше й побачити, що молекули складаються з атомів. Але на цьому справа не закінчується — атоми складаються з ядра, оточеного електронами.

Ядро, своєю чергою, являє собою сукупність нуклонів (протонів і нейтронів), які надають атому його властивостей та маси. Але й на цьому все не закінчується: нуклони складаються з менш відомих речей, відомих як кварки і глюони. І саме на цьому рівні наші знання про фундаментальну фізику “наштовхуються на стіну”.

Щоб дослідники могли вивчати кварки та глюони, в ідеалі вони мають бути ізольованими один від одного; однак нині це здається неможливим. Коли прискорювачі частинок розбивають атоми й створюють потоки атомного сміття, кварки й глюони знову зв'язуються занадто швидко, щоб дослідники могли вивчити їх у деталях. Нове дослідження, проведене на фізичному факультеті Токійського університету, дає змогу припустити, що незабаром ми зможемо відкрити наступний шар матрьошки.

“Щоб краще зрозуміти наш матеріальний світ, нам потрібно проводити експерименти, а щоб поліпшити експерименти, нам потрібно вивчити нові підходи до того, як ми робимо речі”, - сказав професор Кенджі Фукусіма. “Ми намітили можливий шлях до визначення механізму, відповідального за зчеплення кварків. Це давня проблема у фізиці, і якщо її буде розв'язано, то може відкрити деякі глибокі таємниці про матерію і структуру Всесвіту”.

Маса субатомних кварків неймовірно мала. У сукупності кварки в нуклоні становлять менше 2% від загальної маси, а глюони здаються повністю безмасовими. Таким чином, фізики припускають, що більша частина атомної маси насправді походить від того, як пов'язані кварки й глюони, а не від самих елементів.

Вони пов'язані так званою сильною взаємодією, однією з чотирьох фундаментальних сил природи, включно з електромагнетизмом і гравітацією, і вважається, що саме сильна взаємодія надає нуклону масу. Це частина теорії, відомої як квантова хромодинаміка (КХД), де "хромо" походить від грецького слова, що означає колір, тож інколи можна почути, що кварки називають червоними, зеленими або синіми, незважаючи на те, що вони безбарвні.

“Суворий доказ того, що сильна взаємодія породжує масу, залишається недосяжним”, - каже Фукусіма. “Перешкода полягає в тому, що КХД описує речі таким чином, що теоретичні розрахунки ускладнені. Наше досягнення полягає в тому, щоб продемонструвати, що сильна взаємодія, за особливого збігу обставин, може реалізувати обмеження кварків”.

“Ми зробили це, інтерпретувавши деякі спостережувані параметри кварків як нову змінну, яку ми назвали уявною кутовою швидкістю. Хоча вона має суто математичну природу, її можна перетворити назад у реальні значення речей, які ми можемо контролювати. Це має призвести до можливості реалізувати екзотичний стан кваркової матерії, що швидко обертається, щойно ми навчимося перетворювати нашу ідею на експеримент”.

на русском