Сильная сила измерена с рекордной точностью

Для соединения кварков в протоны, нейтроны и атомные ядра требуется исключительная сила — сильная сила. Переносимая глюонными частицами, она сегодня считается самой мощной из всех фундаментальных сил природы, к которым относятся электромагнетизм, слабые силы и гравитация. Однако до сих пор она была наименее точно измерена. В недавней статье коллаборация ATLAS описывает, как с помощью Z-бозона, электрически нейтрального носителя слабых сил, удалось определить силу сильных сил с беспрецедентной погрешностью, составляющей менее 1%.

Удержание кварков вместе в атомных ядрах

Сильная сила действует на кварки и глюоны — элементарные частицы. Кварки — это фундаментальные составляющие адронов, таких как протоны и нейтроны. Существует шесть типов кварков с определенными цветовыми зарядами. Глюоны, в свою очередь, служат проводниками сильной силы и удерживают кварки вместе внутри адронов.

Уникальной особенностью сильной силы является то, что физики называют ограничением кварков, то есть свободные кварки никогда не наблюдаются в природе. Когда мы пытаемся разъединить два кварка, сила увеличивается по мере увеличения расстояния между ними. В определенный момент становится выгоднее создавать новые кварк-антикварковые пары за счет энергии, а не продолжать разделять кварки. В результате кварки всегда заключены внутри адронов.

Таким образом, сильные силы играют фундаментальную роль в стабильности атомных ядер и оказывают влияние на формирование элементов во Вселенной с момента Большого взрыва. Без нее материя в том виде, в котором мы ее знаем, не существовала бы, что лишний раз доказывает ее важность, но как ее измерить?

Определение константы сильной связи

Интенсивность сильных сил описывается фундаментальным параметром Стандартной модели, известным как константа сильной связи или константа взаимодействия. Хотя предсказания этой константы в последние десятилетия, безусловно, улучшились, неопределенность в ее значении все еще в несколько раз превышает неопределенность в отношении других фундаментальных сил. Для сравнения: величина сильной ядерной силы, являющейся ключевым параметром Стандартной модели, известна лишь с точностью до долей процента, в то время как электромагнитная сила, которая примерно в пятнадцать раз слабее, известна с точностью более одной части на миллиард.

Поэтому для уточнения теоретических моделей необходимо было уменьшить эту неопределенность.

В рамках этой работы коллаборация ATLAS (крупный исследовательский проект в области физики частиц, осуществляемый на БАК ЦЕРН) изучала Z-бозоны, образующиеся в протон-протонных столкновениях при энергии столкновения 8 ТэВ. Z-бозоны обычно образуются при аннигиляции двух кварков в сталкивающихся протонах. При этом в процессе слабого взаимодействия вступает в действие сильная сила, обусловленная глюонным излучением, испускаемым аннигилирующими кварками. Это излучение придает Z-бозону «удар» в поперечном направлении к оси столкновения (поперечный импульс), величина которого зависит от константы сильной связи.

Точное измерение распределения поперечных импульсов от Z-бозона и сравнение с теоретическими расчетами этого распределения может быть использовано для определения константы сильной связи.

Упрощенный пример

Чтобы лучше понять суть этого процесса, представим себе два поезда, движущихся навстречу друг другу. Каждый поезд представляет собой протон, положительно заряженную субатомную частицу, а пути, по которым они движутся, — это траектории внутри Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Теперь представьте, что внутри каждого поезда (протона) находятся пассажиры (кварки). Когда эти поезда проезжают мимо друг друга, то два пассажира (кварка) встречаются и толкают друг друга, превращаясь в другую частицу — знаменитый Z-бозон.

При этом на движения этих бозонов влияют другие «невидимые персонажи» внутри поездов, называемые глюонами. Глюоны, как было сказано выше, подобны посланникам, несущим информацию о сильном взаимодействии. В данном случае они придают кваркам, образующим Z-бозоны, небольшую боковую тягу во время их танца, подобно тому как пассажиры поезда получают толчок в бок, который сбивает их с курса.

Зачем нужен этот небольшой «боковой толчок»?

Как уже упоминалось выше, сильная сила, удерживающая кварки вместе внутри протонов и других частиц, опосредована глюонами. Проще говоря, глюоны обладают особым свойством, называемым «цветовым зарядом». В отличие от электрического заряда, который мы связываем с заряженными частицами, такими как электроны, цветовой заряд — это свойство, характерное только для сильных сил. Глюоны могут иметь один из трех основных «цветов» (красный, зеленый или синий) и соответствующие им «антицветы» (антикрасный, антизеленый или антисиний).

Важно помнить, что, согласно правилам силовых взаимодействий, кварки внутри протонов должны иметь взаимно компенсирующие цветовые заряды. Другими словами, красный кварк должен быть связан с антикрасным кварком, зеленый кварк — с антизеленым и т.д.

Когда два кварка сближаются при столкновении протонов, глюоны, несущие цветовые заряды, обмениваются между собой. Таким образом поддерживается баланс цветовых зарядов. Однако глюоны не только передают эти заряды, но и несут энергию. Именно эта энергия преобразуется в «боковую тягу» (поперечный импульс), которую могут приобретать кварки в процессе взаимодействия.

Непревзойденная точность

Измерение этого отклонения Z-бозона имеет большое значение. Измеряя степень отклонения кварков при их столкновении и сравнивая эти измерения с теоретическими расчетами, физики могут с большей точностью определить значение константы сильной связи.

В данном случае команда ATLAS измерила поперечный импульс Z-бозона через продукты его распада. Сравнение этих измерений с теоретическими предсказаниями позволило исследователям точно определить, что константа сильной связи на шкале масс Z-бозона составляет 0,1183 ± 0,0009 с относительной неопределенностью всего 0,8%. Это самое точное на сегодняшний день измерение силы сильной связи, выполненное в рамках одного эксперимента.

Тот факт, что нам удалось измерить силу связи между сильными силами с такой высокой степенью точности, является впечатляющим достижением. В очередной раз мощь БАК и эксперимента ATLAS раздвигает границы точности и улучшает наше понимание природы.

Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Physics.