Почти сто лет назад были открыты протоны и нейтроны, основные составляющие атомных ядер. Долгое время их считали неделимыми, но в 1960-х ученые выдвинули теорию, что эти частицы могут иметь более сложную структуру, включающую кварки и глюоны, особенно при высоких энергиях. Эта гипотеза вскоре была подтверждена экспериментами.
Однако долгое время оставалась проблема: низкоэнергетические эксперименты с протонами и нейтронами не стыковались с моделями, основанными на кварках и глюонах. Этот разрыв удалось преодолеть только недавно, благодаря исследованию, опубликованному в Physical Review Letters командой ученых из коллаборации nCTEQ, куда входят специалисты Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN).
До сих пор у нас было два параллельных описания атомных ядер: одно для низких энергий, где мы видим протоны и нейтроны, и другое для высоких энергий, где проявляются кварки и глюоны. В нашей работе мы объединили эти два мира.
Чтобы понять, как устроены атомные ядра, физики используют эксперименты, в которых сталкивают частицы и анализируют результаты. При низких энергиях ядра ведут себя как системы из протонов и нейтронов, а при высоких — как системы из кварков и глюонов. До недавнего времени эти два подхода существовали отдельно, и никто не мог объединить их в одну теорию.
Для своего исследования ученые IFJ PAN использовали данные с Большого адронного коллайдера (LHC) в CERN, чтобы изучить структуру атомных ядер на уровне кварков и глюонов. Они использовали функции распределения партонов (PDF), чтобы показать, как кварки и глюоны распределены внутри протонов и нейтронов, а также по всему ядру. Это позволило вычислить вероятность появления конкретных частиц при столкновении протонов или электронов с ядрами.
Главная инновация этого исследования заключалась в том, что ученые расширили партонные функции, учитывая сильные взаимодействия между протонами и нейтронами, которые создают коррелированные пары (протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон). Это позволило детально описать партонные структуры для 18 разных атомных ядер, а также количество таких коррелированных пар.
Результаты подтвердили наблюдения из низкоэнергетических экспериментов: большинство коррелированных пар — это пары протон-нейтрон. Особенно это интересно для тяжелых ядер, таких как свинец или золото. Новый подход оказался более точным в сравнении с традиционными методами описания партонных распределений в ядрах.
Мы улучшили модель взаимодействия нуклонов, осознав, что этот эффект важен и на уровне кварков и глюонов. Это позволило упростить теоретическое описание и в будущем даст возможность более точно изучать структуру отдельных ядер.
Эти результаты открывают новые возможности для лучшего понимания структуры атомных ядер, впервые объединяя поведение ядер при низких и высоких энергиях.
