Страсти вокруг протона: откуда берётся его спин и почему материя может оказаться не вечной / Хабр

Протон — одна из самых обманчивых частиц природы. На первый взгляд он кажется достаточно простым. Он есть в каждом атоме водорода, из протонов состоят ядра обычной материи, а на вводных занятиях по физике протон часто изображают в виде аккуратного шарика со знаком «плюс». Однако даже после столетия исследований физики по-прежнему не могут ответить на два удивительно простых вопроса о нём.

Во-первых: живёт ли протон вечно?

Во-вторых: откуда, собственно, берётся его спин?

Эти проблемы относятся к разным разделам физики, но их объединяет одна тема. В обоих случаях протон демонстрирует разрыв между аккуратными представлениями о частицах, которые работают в учебниках, и более странными механизмами, лежащими в их основе: квантовой теорией поля, сильным взаимодействием и, возможно, физикой за пределами Стандартной модели.

Проблема первая: частица, которая отказывается умирать

Свободные нейтроны смертны. Оставьте нейтрон вне атомного ядра, и в среднем он просуществует всего около 15 минут, прежде чем распасться на протон, электрон и антинейтрино. Протон ведёт себя совершенно иначе. Никто никогда не наблюдал его распада.

При обычных энергиях Стандартная модель не предусматривает механизма, при котором изолированный протон просто распадался бы на более лёгкие частицы. В известных реакциях, описываемых этой теорией, сохраняется барионное число — правило учёта квантовых чисел, при котором протонам и нейтронам присваивается значение +1. Поскольку протон является самым лёгким барионом, ему просто некуда деваться.

Однако у физиков есть веские основания полагать, что сохранение барионных чисел не является абсолютным законом природы.

Стандартная модель с поразительной точностью описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, но оставляет гравитацию за пределами своих рамок, содержит довольно неуклюжую совокупность семейств частиц и параметров и рассматривает сильное взаимодействие отдельно от электрослабого. Теории великого объединения (ТВО) пытаются заменить это «лоскутное одеяло» более широкой симметрией, в которой сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия являются разными проявлениями одного всеобъемлющего взаимодействия.

Ход на первый взгляд элегантный, однако он подвергает протона опасности. Во многих ТВО кварки и лептоны связаны достаточно тесно, чтобы кварк мог, заручившись помощью чрезвычайно тяжёлого посредника, превратиться в лептон. Протон состоит из кварков, поэтому он больше не является абсолютно стабильным.

Классическим возможным вариантом распада будет

p → e⁺ + π⁰

протон, превращающийся в позитрон и нейтральный пион. Другие теории отдают предпочтение таким каналам, как каон плюс антинейтрино. Поэтому обнаружение даже одного убедительного случая распада протона означало бы гораздо больше, чем просто открытие того, что у материи есть «срок годности». Это стало бы прямым доказательством существования физики за пределами Стандартной модели и дало бы ключ к пониманию того, как силы могут объединяться при энергиях, значительно превышающих те, которых способен достичь любой созданный человеком ускоритель.

Существует очевидная экспериментальная трудность: если протоны и распадаются, то делают это с поразительной неохотой.

Наиболее строгое ограничение, полученное на нейтринном детекторе «Супер-Камиоканде» для известного канала «позитрон плюс пион», устанавливает частичное время жизни выше 2,4 × 10^34 лет с точностью в 90%. Это примерно в триллион триллионов раз превышает нынешний возраст Вселенной. В ходе исследования 2026 года, посвящённого распадам протонов с участием заряжённого антилептона и двух нейтральных пионов, «Супер-Камиокандэ» вновь не обнаружил доказательств распада протонов: те немногие события, которые можно было отнести к кандидатам, соответствовали ожидаемому фону. [1]

Фраза «частичное время жизни» имеет важное значение. Физики не обязательно утверждают, что средний протон должен жить дольше этого срока в каждом мыслимом режиме распада. Они устанавливают ограничение на один конкретный путь распада, учитывая вероятность того, что протон, если он нестабилен, выберет именно этот путь.

Как можно проверить гипотезу о времени жизни в 10^34 лет, не дожидаясь 10^34 лет?

С помощью статистических уловок.

Если наблюдать за одним протоном в течение года, шансы на успех равны нулю. Если же наблюдать одновременно примерно за 10^34 протонов, то время жизни, равное примерно 10^34 годам, соответствовало бы тому, что распады могут происходить с частотой, приемлемой для человека. Именно в этом заключается логика создания огромных подземных детекторов.

«Супер-Камиокандэ» в Японии — это, по сути, гигантский резервуар с ультрачистой водой, оснащённый сложнейшей аппаратурой. Вода подходит для этих целей, поскольку содержит огромное количество протонов — как в ядрах водорода, так и в ядрах кислорода. Детектор обложен фотоумножителями, которые фиксируют слабые вспышки черенковского излучения — оптической ударной волны, возникающей, когда заряженная частица движется в воде быстрее, чем свет может распространяться в этой среде.

Если бы протон распался на позитрон и нейтральный пион, пион быстро выделил бы фотоны, которые, в свою очередь, создали бы заряженные частицы. Детектор зафиксировал бы характерные кольца черенковского излучения. По этим кольцам физики могут восстановить энергии и направления вылетающих частиц и определить, выглядят ли они так, будто произошли от протона, скромно распадающегося внутри воды. [2]

К сожалению, атмосферные нейтрино иногда могут вызывать события, похожие на эти. Поэтому поиски распада протонов представляют собой попытку обнаружить невероятно редкий след на фоне небольшого, но упорного шума. И пока что протон выигрывает в каждом раунде.

Эта неудача тоже имеет научную ценность. Ранние модели великого объединения предсказывали скорости распада протонов, которые уже должны были быть зафиксированы в экспериментах, и в результате некоторые из самых простых версий были исключены. Более сложные модели остаются в силе, часто предсказывая более длительные периоды жизни или иные доминирующие каналы распада.

Следующим этапом станет «Hyper-Kamiokande» — гораздо более крупный преемник существующего детектора, который сейчас строят в Японии. Участники этого проекта ожидают, что после нескольких лет работы чувствительность к распаду протонов повысится более чем на порядок. Стратегия предельно проста: если природа делает это явление невообразимо редким, нужно наблюдать за невообразимо большим количеством протонов. [2]

Открытие имело бы последствия, выходящие далеко за рамки одной нестабильной частицы. Нарушение барионного числа также является одним из компонентов, необходимых для объяснения того, почему в наблюдаемой Вселенной содержится гораздо больше материи, чем антиматерии. Таким образом, распад протона мог бы связать микроскопическое событие в резервуаре с водой с одним из древнейших вопросов космологии: почему во Вселенной вообще есть что-то, из чего можно строить резервуары с водой?

Проблема вторая: протон и его загадочный спин

Вторая проблема с протоном звучит в каком-то смысле комично. Физики знают, что спин протона равен 1/2. Они знают об этом уже несколько поколений. Загадка заключается в том, где именно находится этот спин.

«Спин» — это обманчивое слово, поскольку оно вызывает в воображении образ крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси. Квантовый спин — это внутренний угловой момент; протон — это не микроскопический теннисный мяч. Но поскольку протон является составной частицей, его полный угловой момент должен каким-то образом возникать из угловых моментов составляющих его частиц.

Согласно простейшей кварковой модели, протон состоит из трёх «валентных» кварков: двух верхних кварков и одного нижнего кварка. Сами кварки имеют спин 1/2. В наивной нерелятивистской картине комбинация спинов этих трёх кварков определяет спин протона, и может сложиться впечатление, что загадка решена ещё до того, как она возникла. Более сложные релятивистские модели уже несколько уменьшили ожидаемый вклад кварков, но по-прежнему предполагалось, что спин кварков даёт большую часть ответа. [3]

А затем на сцену вышла Европейская мюонная коллаборация (EMC) в ЦЕРН.

В конце 1980-х годов EMC направляла поляризованные мюоны на поляризованные протоны и измеряла, как изменяется скорость рассеяния при различном совпадении направлений их спинов. Эксперимент представлял собой разновидность глубоко неупругого рассеяния: если ударить по протону достаточно сильно, то зонд становится чувствительным к его внутренней кварковой структуре.

Результат оказался шокирующим. Первоначальный анализ компании EMC показал, что гелициальности кварков и антикварков составляют лишь около 12% спина протона, причём с большой погрешностью. Более поздние эксперименты и усовершенствованный анализ в рамках КХД существенно повысили общепринятое значение — примерно до 30%, но главная неожиданность осталась: одного спина кварков было явно недостаточно. [3]

Так зародился кризис спина протона.

Недостающий спин не исчез в буквальном смысле. Угловой момент сохраняется. Проблема заключалась в том, что физики задали простой арифметический вопрос об объекте, внутренняя жизнь которого отнюдь не проста.

Современный протон — это не три постоянных кварка, болтающихся внутри оболочки. В квантовой хромодинамике, или КХД, валентные кварки погружены в поля глюонов. Глюоны постоянно взаимодействуют друг с другом, а квантовые флуктуации порождают переходные пары кварков и антикварков, так называемое «море». Все эти составляющие являются релятивистскими, и все могут участвовать в балансе углового момента протона.

В широко используемой схеме учёта партонов спин протона схематично записывается как

1/2 = 1/2 ΔΣ + ΔG + Lq + Lg

Здесь ΔΣ показывает, какую часть общего вращательного момента дают собственные спины кварков и антикварков. Грубо говоря, физики считают, сколько кварков «ориентировано» по направлению спина протона и сколько против него, а затем смотрят на разницу.

ΔG описывает такой же суммарный вклад от собственных спинов глюонов, частиц, которые переносят сильное взаимодействие между кварками.

Но кварки и глюоны внутри протона не сидят на месте. Они движутся, поэтому часть общего вращательного момента связана с их движением внутри протона. Эти вклады обозначены Lq для кварков и Lg для глюонов.

Иными словами, спин протона складывается не только из спинов его составляющих. В него входят спины кварков, спины глюонов и их движение внутри протона.

Даже это, казалось бы, невинное уравнение скрывает серьёзные тонкости теории поля. В калибровочной теории, такой как КХД, разложение полного углового момента на отдельные значимые составляющие — «спин» и «орбиталь» — не является однозначным, в отличие от разложения, например, механизма механических часов на шестерни и пружины. Физики используют несколько строгих разложений, в частности, связанных с работами Джаффе и Манохара, а также Сяндуна Цзи, в зависимости от того, какие теоретически чистые и экспериментально доступные величины они хотят описать. [3]

С экспериментальной точки зрения один из главных подозреваемых в деле о пропавших составляющих спина уже признался в том, что несёт его часть: глюоны.

Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории обладал уникальной способностью сталкивать поляризованные протоны. Сравнивая столкновения с различными ориентациями спина протонов, эксперименты STAR и PHENIX смогли определить, как спины глюонов, как правило, выравниваются по отношению к протону. Общие анализы, включающие данные RHIC, показывают положительный вклад глюонов в области долей импульса, которую эксперименты хорошо измерили, особенно выше x ≈ 0,05. [4]

Однако тут существует лазейка, причём достаточно большая. Эксперименты не измеряют все глюоны одинаково точно. Глюоны, несущие очень небольшие доли импульса протона, находятся в плохо изученной области малого x, и их совокупный вклад может существенно изменить общее значение ΔG. Поэтому утверждения типа «глюоны несут X процентов спина протона» по-прежнему зависят от диапазона измерений, методологии анализа и масштаба, в котором исследуется протон. [3]

Этот последний момент является ещё одним предупреждением о том, что не следует рассматривать протон как статический объект. В КХД кажущееся распределение кварков и глюонов меняется в зависимости от разрешения измерительного прибора. Спросите, что находится «внутри» протона на одном энергетическом масштабе и на другом, и картина будет выглядеть по-разному, хотя сам протон не изменится.

С орбитальными членами дело обстоит ещё сложнее. Кварки и глюоны не просто направляют свои спины вверх или вниз; их движение и корреляции также могут нести угловой момент. Для выделения этих вкладов требуется более подробная информация об импульсе и пространственной структуре протона. Поэтому современная теория рассматривает проблему спина не просто как поиск одной недостающей составляющей, а как попытку реконструировать динамику всей релятивистской квантовой системы.

Это одна из основных задач электрон-ионного коллайдера, который в настоящее время разрабатывается в Брукхейвене. Работа коллайдера RHIC завершилась в феврале 2026 года, а строительство площадки для EIC, как ожидается, начнётся в начале 2027 года. Путём столкновения поляризованных электронов с поляризованными протонами и ионами новый коллайдер призван исследовать глюоны при гораздо меньших долях импульса и резко снизить неопределённость в их спиновом вкладе. Согласно текущим прогнозам, измерения будут охватывать диапазон вплоть до x ≈ 10^-4, в то время как другие наблюдаемые величины должны предоставить физикам новый доступ к орбитальному угловому моменту кварков и глюонов. [5]

Другими словами, «спиновый кризис» достиг зрелости. Это уже не паника по поводу недостающего углового момента. Это программа высокоточных исследований, направленная на понимание того, как квантовая система с сильным взаимодействием формирует простую наблюдаемую величину — спин 1/2 — из чрезвычайно сложной внутренней структуры.

Обманчиво знакомый протон

Распад протона и спин протона, на первый взгляд, ставят противоположные вопросы.

Проблема распада ставит вопрос о том, является ли протон менее постоянным, чем кажется. Проблема спина задаёт вопрос о том, почему частицу с совершенно определённым квантовым числом так трудно воссоздать из её составляющих.

Одна из них обращена вовне, к великому объединению и физике при энергиях, которые, возможно, навсегда останутся недостижимыми для прямых ускорителей. Другая обращена внутрь, к турбулентной динамике КХД, уже действующей внутри каждого атомного ядра.

В совокупности эти особенности делают протон полезным противоядием от представления о том, что «знакомое» означает «понятное».

Каждый стакан воды содержит астрономическое количество протонов. Каждый из них может оставаться стабильным вечно или же жить на заёмное время, измеряемое десятками триллионов триллионов лет. Каждый несёт ровно половину единицы спина, в то время как кварки, которые когда-то казались несомненным объяснением этого спина, объясняют лишь примерно треть всей картины.

Протон — самая распространённая неразгаданная загадка обычной материи: внешне простой, доступный для экспериментального изучения, но по-прежнему способный скрывать как судьбу материи, так и механизм, удерживающий её воедино.