Физики впервые применили кварки и глюоны для объяснения характеристик атомного ядра.

Прошло почти сто лет с момента открытия основных составляющих ядер атомов: протонов и нейтронов. Изначально их считали неделимыми, однако в 1960-х годах ученые выдвинули гипотезу, что при исследовании на достаточно высоких энергиях протоны и нейтроны могут раскрыть свою внутреннюю структуру — наличие кварков, удерживаемых глюонами.

Существование кварков вскоре было подтверждено экспериментально. Тем не менее, до сих пор не удавалось воспроизвести результаты ядерных экспериментов на низких энергиях с помощью кварк-глюонных моделей, когда в атомных ядрах видны только протоны и нейтроны.

Эксперименты демонстрируют, что при относительно низких энергиях атомные ядра ведут себя так, словно состоят из нуклонов — протонов и нейтронов, в то время как при высоких энергиях в атомных ядрах «видны» кварки и глюоны. Результаты столкновений атомных ядер с электронами достаточно хорошо воспроизводятся с использованием моделей, которые предполагают наличие только нуклонов для описания низкоэнергетических столкновений или только партонов — кварков и глюонов — для высокоэнергетических столкновений. Этот многолетний тупик был преодолен учеными из международной коллаборации nCTEQ по кварк-глюонным распределениям.

Физики из Института атомной физики Польской академии наук использовали данные о высокоэнергетических столкновениях, включая те, что были собраны на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Основной целью стало изучение партонной структуры атомных ядер на высоких энергиях, которая в настоящее время описывается функциями распределения партонов (parton distribution functions, PDFs).

Эти функции применяются для отображения распределения кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов, а также по всему атомному ядру. С помощью функций PDF для атомного ядра можно экспериментально определить вероятность образования конкретной частицы при столкновении электрона или протона с ядром.

Предложенный в новой научной работе подход расширяет описание функций распределения партонов. Ученые черпали вдохновение из ядерных моделей, применяемых для описания низкоэнергетических столкновений. В этих моделях предполагается, что протоны и нейтроны объединяются в сильно взаимодействующие коррелированные пары нуклонов: протон — нейтрон, протон — протон и нейтрон — нейтрон.

Новый подход позволил определить функции распределения партонов в 18 изученных атомных ядрах, распределения партонов в коррелированных парах нуклонов и даже количество таких коррелированных пар. Результаты подтвердили наблюдение, известное из низкоэнергетических экспериментов: большинство коррелированных пар — это пары протон — нейтрон.

Преимущество предложенного подхода заключается в том, что он обеспечивает более точное описание экспериментальных данных по сравнению с традиционными методами, используемыми для определения распределений партонов в атомных ядрах. Исследователи внесли улучшения для моделирования явления спаривания определенных нуклонов. Они признали, что этот эффект может оказывать влияние на уровне партонов. Это дало концептуально упростить теоретическое описание, что в будущем должно позволить более точно изучать распределения партонов для отдельных атомных ядер.

Согласие теоретических предсказаний с экспериментальными данными означает, что, применяя партонную модель и данные из области высоких энергий, впервые удалось воспроизвести поведение атомных ядер. Ранее оно объяснялось исключительно нуклонным описанием и данными низкоэнергетических столкновений. Результаты описанных исследований открывают новые перспективы для лучшего понимания структуры атомного ядра, объединяя его высоко- и низкоэнергетические аспекты.

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.