Как художник представил себе нейтрон и его внутреннюю структуру
Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, однако до сих пор науке известны не все свойства этих базовых строительных блоков материи. В особенности трудно поддаётся изучению нейтрон, будучи не имеющей заряда частицей. Спустя 90 лет после его открытия у физиков остаются вопросы – в частности, о его точном размере и времени жизни. Считается, что нейтрон состоит из трёх кварков, удерживаемых вместе глюонами. Физики используют электромагнитные формфакторы для описания динамической внутренней структуры нейтрона – это среднее распределение электрического заряда и намагниченности, которые можно определить экспериментально.
Как поясняет профессор Фрэнк Маас, исследователь с проекта PRISMA+ Cluster of Excellence и Института Гельмгольца в Майнце, один формфактор, измеренный на одном энергетическом уровне, ни о чём не говорит. Чтобы делать какие-то осмысленные выводы о структуре нейтрона, необходимо измерять формфакторы на различных уровнях энергии. В определённых энергетических диапазонах, доступных в стандартных экспериментах по электрон-протонному рассеянию, формфакторы можно измерить довольно точно. В других же диапазонах требуются т.н. «аннигиляционные техники».
В эксперименте BESIII, проведённом в Китае, недавно получилось точно определить нужные данные в энергетическом диапазоне от 2 до 3,8 ГэВ. По сравнению с предыдущими экспериментами, точность измерения возросла примерно в 60 раз. Фрэнк Маас говорит, что новые данные позволили закрыть белые пятна на «карте» формфакторов нейтрона. В результате представление о формфакторах нейтрона значительным образом изменится – теперь у учёных есть гораздо более обширная картина строения этого важнейшего строительного блока материи.
В эксперименте сталкивали электроны с позитронами, после аннигиляции которых возникали новые пары частиц, в том числе нейтроны и антинейтроны. По словам Мааса, это был сложный и в некоторых аспектах прорывной эксперимент, поскольку нужно было улучшить ускоритель и практически переизобрести метод обнаружения новых частиц.
Заметили учёные и новый для себя феномен – график зависимости формфактора от уровня энергии представляет собой не плавную кривую, а показывает колебательную картину, в которой амплитуда колебаний уменьшается с ростом уровня энергии. Такое же неожиданное поведение продемонстрировали и протоны, только у них график был сдвинут по фазе. Маас объяснил это тем, что внутреннюю структуру нуклонов нельзя считать простой. Теперь физикам-теоретикам предстоит разработать новые модели, описывающие такое неожиданное поведение частиц.
