Физики обнаружили скрытую структуру глюонов внутри протонов

Физики с помощью эксперимента на Большронном адронном коллидере (LHC) в ЦЕРН обнаружили неожиданную внутреннюю структуру протонов — скрытое распределение глюонов, которое не вписывается в существующие теоретические модели. Это открытие может заставить переписать учебники по физике элементарных частиц.

Что такое глюоны и зачем их изучать

Глюоны — это элементарные частицы, которые «клеят» кварки вместе внутри протонов и нейтронов, формируя ядра атомов. Без глюонов материя в привычном нам виде не существовала бы. Они переносят сильное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных сил природы. До недавнего времени считалось, что распределение глюонов внутри протона относительно гладкое и предсказуемое согласно стандартной модели частиц.

Однако команда исследователей, используя данные детектора CMS на LHC, обнаружила, что глюоны внутри протона образуют неожиданные «горячие пятна» — локальные зоны аномально высокой плотности. Эти структуры не предсказываются существующими теоретическими расчётами, основанными на kvantovой хромодинамике (QCD).

Как сделано открытие

Учёные анализировали данные столкновений протонов на энергиях 13 ТэВ, собранные во втором рабочем цикле LHC (2015–2018 гг.). Они изучали так называемые эксклюзивные дифрактивные процессы, когда протоны сталкиваются, но остаются целыми, а между ними возникает система частиц. В этих редких событиях можно «просветить» внутреннюю структуру протона с беспрецедентной точностью.

Ключевым инструментом стал анализ так называемых дифрактивных J/ψ-мезонов — связанных состояний чарм-античарм кварков. Их производство крайне чувствительно к распределению глюонов внутри протона. Исследователи измерили сечение взаимодействия в зависимости от переноса импульса и обнаружили аномалию: на малых значениях переноса импульса данные систематически отклоняются от теоретических предсказаний.

Что это значит для физики

Обнаруженная структура указывает на то, что внутри протона глюоны могут образовывать коррелированные кластеры или конденсаты — что-то вроде «глюонных капель» внутри «глюонного моря». Это может быть проявлением насыщения глюонов — явления, предсказанного теорией, но до сих пор не наблюдаемого напрямую в таком виде.

Если результат подтвердится независимыми экспериментами (например, на будущем электронно- ионном коллидере EIC в Брукхейвене или на LHC после апгрейда до HL-LHC), это станет первым прямым доказательством нелинейной динамики глюонов внутри адронов. Учебники по физике высоких энергий придётся перепечатывать, а теоретикам — пересматривать модели внутренней структуры материи.