Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Поляризуемость пиона: эксперимент проверяет теорию

Кандидат физико-математических наук Алексей Гуськов, Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна)

В 2012 году на Большом адронном коллайдере была открыта новая частица — бозон Хиггса. После лавины научно-популярных обзоров, последовавших за этим событием, мало кто из интересующихся физикой не знает, что эта частица ответственна за наличие массы у других фундаментальных частиц — лептонов и кварков. Однако зачастую из этого совершенно верного факта делается совершенно неверный вывод о том, что именно этой волшебной частице обязаны массой все окружающие нас объекты, от крохотных атомов до огромных небесных тел.

Из чего складывается масса элементарных частиц? Возьмём, к примеру, протон, который, по современным представлениям, состоит из трёх кварков. Суммарная масса этих кварков, обеспеченная механизмом Хиггса, составляет всего около 10 МэВ, в то время как масса протона равна 938 МэВ. Оказывается, практически всей своей массой протон обязан полю сильного взаимодействия, удерживающему кварки вместе. То же самое относится и к нейтрону. Таким образом, выходит, что механизм Хиггса обеспечивает только примерно один процент массы окружающих нас привычных объектов, а главным «источником» массы является сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие — это одно из четырёх фундаментальных взаимодействий, которое проявляет себя в двух ипостасях. С одной стороны, оно связывает кварки, обеспечивая существование адронов — частиц, состоящих либо из пары кварк — антикварк (мезоны), либо из трёх кварков (барионы). Пример барионов — протон и нейтрон. С другой стороны, сильное взаимодействие связывает адроны между собой, например протоны и нейтроны — в ядра. Сильным его называют не зря: оно в 100 с лишним раз сильнее электромагнитного взаимодействия и в 10 000 раз сильнее слабого, которое ответственно, например, за распад нейтрона. Что касается гравитационного взаимодействия между отдельными частицами, то оно настолько незначительно, что не проявляет себя в микромире.

Изучением свойств сильного взаимодействия занимается раздел теории поля, называемый квантовой хромодинамикой. Не в последнюю очередь благодаря успехам Большого адронного коллайдера широкое распространение получило мнение, что передний край физики элементарных частиц находится исключительно в области очень высоких энергий. На самом же деле для квантовой хромодинамики ситуация обстоит с точностью до наоборот. Специфика сильных взаимодействий такова, что чем выше энергия взаимодействующих частиц, тем проще описать их сильное взаимодействие между собой, используя стандартные методы теории возмущений, основанные на технике фейнмановских диаграмм. Однако для области низких энергий, сравнимых с энергией покоя протона, и в первую очередь для описания статических свойств адронов математически строгий подход испытывает затруднения с количественными оценками, необходимыми для практических нужд экспериментальной физики частиц. Поэтому в области низких энергий на смену строгому подходу квантовой хромодинамики приходят упрощённые феноменологические модели, которые позволяют с минимальными затратами получать численные результаты с достаточно высокой точностью. Но за простоту приходится платить. Такие модели из-за применяемых допущений нуждаются в тщательной проверке границ их применимости.

Как известно, простейшая из доступных для изучения систем, построенная на основе электромагнитного взаимодействия, — это атом водорода. Экспериментальное изучение его свойств и их осмысление позволило в начале прошлого века сделать первые шаги в квантовой механике. Пи-мезон, или пион, — система, состоящая из легчайших кварка и антикварка, — будучи самой лёгкой частицей, построенной на основе сильного взаимодействия, занимает в теории сильных взаимодействий такое же важное место, какое в теории электромагнитных взаимодействий занимает атом водорода. Именно поэтому реалистичное описание свойств пиона служит критической проверкой для любой феноменологической модели сильного взаимодействия, претендующей на то, чтобы быть успешной в области низких энергий.

Существование пиона было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 году в качестве частицы — переносчика ядерного взаимодействия между протонами и нейтронами в атомном ядре. В 1947 году были открыты пионы, несущие отрицательный и положительный электрические заряды, а через несколько лет был открыт и нейтральный пион. Масса заряженных пионов, по современным данным, составляет 139,6 МэВ, а нейтрального — 135,0 МэВ. Тот факт, что сам пион состоит из кварка и антикварка был установлен несколько позднее. На уровне внутренней структуры пиона (как и любого другого адрона) в рамках квантовой хромодинамики роль переносчика сильного взаимодействия между кварками отводится сейчас безмассовым частицам — глюонам. Но при описании взаимодействия адронов между собой пион по-прежнему незаменим.

Итак, пион — это простейшая система, в которой кварк и антикварк удерживаются вместе сильным взаимодействием. Поскольку кварк и антикварк в пионе несут электрические заряды противоположного знака, то можно предположить, что приложенное внешнее электрическое поле вызовет деформацию пиона, причём способность противостоять деформации, или жёсткость, пиона будет определяться свойствами сильного взаимодействия между кварком и антикварком. Величину, определяющую, насколько сильно частица деформируется во внешнем электрическом поле, называют электрической поляризуемостью. В классическом случае поляризуемость есть просто коэффициент пропорциональности между величиной напряжённости приложенного внешнего поля и величиной наведённого им дипольного момента, имеющей размерность объёма. Аналогичным образом может быть введена и магнитная поляризуемость. На уровне взаимодействия элементарной частицы — адрона с отдельным квантом электромагнитного поля — фотоном наличие ненулевой поляризуемости приводит к незначительному изменению сечения комптоновского рассеяния фотона на этом адроне. Именно из измерения сечения комптоновского рассеяния на протоне и дейтроне (ядре изотопа водорода, состоящем из протона и нейтрона) почти полвека назад были определены поляризуемости протона и нейтрона, значения которых давно заняли соответствующие строчки в справочниках. Ситуация с пионом оказалась значительно сложнее.

Дело в том, что пион — частица нестабильная. Покоящийся заряженный пион живёт в среднем 26 наносекунд, после чего распадается на мюон и мюонное антинейтрино. То есть создать пионную мишень, на которой можно непосредственно наблюдать комптоновское рассеяние, как это было сделано в случае с протоном, попросту невозможно. В 1980 году группа физиков из Объединённого института ядерных исследований (Дубна) предложила способ определения поляризуемости пиона путём измерения углового и энергетического спектра тормозных фотонов, испускаемых заряженными пионами в электрическом поле ядра-мишени. С точки зрения квантовой электродинамики такой процесс можно представить как комптоновское рассеяние виртуального фотона — переносчика электромагнитного взаимодействия, испущенного ядром, на налетающем пионе, в результате которого фотон становится реальным и может быть непосредственно зарегистрирован. Этот подход можно считать развитием идей известного американского физика Генри Примакова, ещё в 1951 году предложившего использовать кулоновское поле ядер в качестве «фотонной» мишени.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Вести с переднего края»

Детальное описание иллюстрации

Атом, состоящий из ядра и электронной оболочки, несущих электрические заряды разного знака, в основном состоянии не обладает собственным электрическим дипольным моментом. Внешнее электрическое поле стремится сместить ядро и электронную оболочку друг относительно друга, в результате чего деформированный атом приобретает дипольный момент d, пропорциональный напряжённости внешнего поля E. Коэффициент пропорциональности между ними называют электрической поляризуемостью. Аналогичным образом ведёт себя во внешнем поле и пион, состоящий из кварка и антикварка, несущих противоположные заряды.
Заряженный пион, пролетая вблизи ядра, поляризуется в его электрическом поле. Если в этот момент он испустит фотон тормозного излучения, то такой фотон «запомнит» деформацию пиона. Анализируя спектр таких фотонов, возможно определить значение поляризуемости пиона.
В эксперименте COMPASS измерены спектры тормозного излучения для пиона и мюона, нормированные на спектры, ожидаемые для бесструктурных точечных пиона и мюона. Величина xy по горизонтальной оси — энергия тормозных фотонов, делённая на энергию пучковых пионов (190 ГэВ).
При работе с частицами высоких энергий безопасность превыше всего. Во время эксперимента дверь, ведущая в зону детектора, заблокирована. Если пучка нет и доступ к детектору открыт, каждый входящий должен повернуть и взять с собой ключ. После окончания всех работ на детекторе пучок невозможно включить, пока на место не вернутся все ключи. Это сделано, чтобы случайно никого не забыть в зоне детектора.