Силы, действующие внутри атомных ядер, вызывают у физиков исключительный интерес. Новые эксперименты в области промежуточных энергий позволяют сделать еще один шаг к пониманию свойств сильного взаимодействия.
Чтобы понять природу сильного взаимодействия в деталях, исследователи проводят сложные эксперименты, например, переводят протон в «возбужденное» состояние. Такие «возбужденные протоны» называют нуклонными резонансами. Напомним, что нуклон — это общее название для частиц, из которых состоит атомное ядро, то есть для протона и нейтрона.
Изучать нуклонные резонансы можно только по реакциям их распада, то есть «отлавливая» частицы, которые при таком распаде образуются. Обычно нуклонные резонансы распадаются на нуклон и несколько положительных и отрицательных пи-мезонов. Сами резонансы возникают в результате столкновения полученных в ускорителе частиц с протонной мишенью. Основная сложностью таких исследований в том, что возникает сразу несколько резонансов, которые «мешают» друг другу.
Недавно группа физиков Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ) МГУ, работающая в коллаборации CLAS Лаборатории Джефферсона (США), впервые получила детальную информацию о реакции рождения мезонов в результате распада нуклонных резонансов в области промежуточных энергий.
В эксперименте пучок электронов с энергиями до 6 ГэВ, сфокусированный до толщины человеческого волоса (0,1 мм), направляли на мишень из жидкого водорода.
Установка в Лаборатории Джефферсона включает ускоритель CEBAF и детектор CLAS. Ускоритель создает непрерывный пучок электронов и тормозных фотонов с рекордными для таких систем величинами энергии, тока и параметрами поляризации пучка. Непрерывный пучок электронов и фотонов делает возможным регистрировать в конечном состоянии сразу несколько частиц, вплоть до шести. Детектор CLAS способен в каждом событии определять все типы образовавшихся частиц. В среднем он обрабатывает около двух тысяч событий в секунду.
Эксперименты с нуклонными резонансами — важная часть изучения сильного взаимодействия, отвечающего за существование адронов. «Мы проводим эксперимент, чтобы понять, как устроено сильное взаимодействие при переходе от высоких энергий к низким», — рассказал один из исследователей, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ, кандидат физико-математических наук Евгений Исупов. Важность задачи связана с тем, что одна из основ современной теории микромира — квантовая хромодинамика, описывающая сильное взаимодействие, хорошо работает только для больших энергий. А для низких энергий ее предсказания сильно расходятся с экспериментом. Решить эту проблему пока не удалось.
Сильное взаимодействие в области промежуточных энергий — предмет особой заботы физиков. С одной стороны именно на этих энергиях в микромире происходит множество интересных явлений, а с другой — квантовая хромодинамика не слишком успешна в количественном описании этих явлений. Новые данные коллаборации CLAS по рождению мезонов в результате распада нуклонных резонансов в области промежуточных энергий позволяют сделать еще один шаг к пониманию свойств сильного взаимодействия.
Из сопутствующих задач можно отметить поиск так называемых «missing» (отсутствующих) состояний. Так называют нуклонные резонансы, существование которых предсказывается кварковой моделью, но они до сих пор не обнаружены в эксперименте.
Кроме того, предполагается, что сильное взаимодействие кварков, составляющих протон, отвечает за формирование его массы. Недавно открытый бозон Хиггса объясняет механизм возникновения массы фундаментальных частиц, в том числе кварков. Однако масса кварков, составляющих протон, в 60 раз меньше, чем масса самого протона (15 МэВ из 940 МэВ). Существует несколько гипотез механизма возникновения недостающей массы, которые ждут своего подтверждения.