Как устроено атомное ядро? Физики получили первую связную картину из кварков и глюонов

Атомное ядро, сердцевина каждого атома, на протяжении десятилетий оставалось объектом пристального изучения физиков. Его структура, определяющая свойства вещества, долгое время описывалась с помощью двух раздельных подходов. Один из них, используемый при низких энергиях, рассматривал ядро как совокупность протонов и нейтронов, подобно строительным блокам, формирующим сложную конструкцию. Другой подход, применяемый при высоких энергиях, углублялся в саму суть этих «блоков», раскрывая их внутреннее строение, состоящее из кварков, связанных глюонами. Эти два подхода, подобно двум сторонам одной медали, отражали разные грани реальности, но не составляли единой картины.

В научном мире подобная ситуация не является редкостью. На разных этапах развития науки появляются модели, адекватно описывающие определённый круг явлений, но не способные охватить всю полноту картины. Однако прогресс науки заключается в постоянном стремлении к созданию более общих и фундаментальных теорий, объединяющих ранее разрозненные знания.

Именно такой прорыв совершили физики, представив новую модель атомного ядра, основанную на его фундаментальных составляющих — кварках и глюонах. Эта модель, опубликованная в Physical Review Letters, позволяет воспроизвести свойства ядра, наблюдаемые как при низких, так и при высоких энергиях, тем самым объединяя два ранее раздельных подхода.

История изучения атомного ядра берёт своё начало в начале XX века с открытия протонов и нейтронов. Первоначально эти частицы считались неделимыми и служили основой для создания моделей ядра, успешно описывающих множество ядерных явлений. Однако в 60-х годах XX века была выдвинута гипотеза о существовании кварков, фундаментальных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Эта гипотеза вскоре получила экспериментальное подтверждение, что привело к развитию квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей взаимодействие кварков и глюонов.

КХД является фундаментальной теорией сильного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Однако применение КХД для описания атомных ядер сталкивается с серьёзными трудностями, связанными с непертурбативным характером сильного взаимодействия на малых расстояниях. Другими словами, взаимодействие кварков и глюонов внутри ядра настолько сильно, что не поддаётся описанию с помощью стандартных методов теории возмущений.

В результате физики были вынуждены использовать различные феноменологические модели для описания атомных ядер. Эти модели основывались на различных приближениях и допущениях и имели ограниченную область применимости. Например, модели оболочек и коллективные модели успешно описывали спектры возбуждения ядер и другие свойства ядер при низких энергиях, но не могли объяснить результаты экспериментов при высоких энергиях, где проявляется кварк-глюонная структура ядра.

Новая модель, предложенная физиками из nCTEQ, представляет собой шаг вперед в понимании атомного ядра. Она основана на использовании функций распределения партонов (PDF), которые описывают распределение кварков и глюонов внутри протонов, нейтронов и всего ядра. PDF извлекаются из экспериментальных данных о глубоконеупругом рассеянии лептонов на нуклонах и ядрах.

Ключевым моментом новой модели является учёт корреляций между нуклонами в ядре. Ранее считалось, что нуклоны в ядре ведут себя независимо друг от друга. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нуклоны в ядре могут образовывать коррелированные пары, тройки и т. д. Учёт корреляций между нуклонами позволяет существенно улучшить описание экспериментальных данных и расширить область применимости модели.

Результаты исследования показали, что новая модель успешно воспроизводит свойства атомных ядер, наблюдаемые как при низких, так и при высоких энергиях. Это свидетельствует о том, что модель адекватно отражает основные черты структуры ядра и может быть использована для предсказания новых ядерных явлений.

Дальнейшее развитие этой модели может привести к созданию единой теории атомного ядра, объединяющей все наши знания о его строении и свойствах. Это позволит нам глубже понять природу материи и разработать новые технологии, основанные на использовании ядерной энергии.