„Кризата със спина на протона” получи ново развитие

Протоните имат постоянен спин, който се явява вътрешно свойство на частицата, подобно на масата или заряда.

Но въпросът „откъде се взема спинът“ е станал такава тайна, че са я нарекли „криза със спина на протона“.

Първоначално физиците смятали, че спинът на протона бил сума от спиновете на трите съставляващи го кварка. Но експеримент от 1987 г. показал, че кварките могат да съставляват само малка част от спина на протона, повдигайки въпроса за това откъде възниква останалата.

Кварките в протона се съединяват с глуони, затова учените решили, че е възможно те да допринасят за появата на спина. Тази идея днес се подкрепя от редица изследвания, в хода на които се анализират сблъсъци на протона на Релативисткия колайдер за тежки йони (RHIC) в Брукхейвънската национална лаборатория в Ъптън, щата Ню Йорк.

Физиците често обясняват спина като въртене на частицата, но това описание е повече метафорично, отколкото буквално. Всъщност спинът представлява квантова стойност, която не може да бъде описана в класически термини. Точно както и протонът не е просто камъче, а грамада от фантомни частици, които непрекъснато се появяват и изчезват, неговият спин се явява сложно свойство от вероятности. И все пак той винаги е равен на половина.

Кварките също притежават спин, равен на половина. Физиците първоначално смятали, че два от три кварка винаги се въртят в противоположни посоки, компенсирайки се помежду си и оставяйки оставащата половина като общ сбор на спиновете на протона.

„Това е наивна идея на 25 години – казва Даниел де Флориан от университета на Буенос Айрес, ръководител на едно от новите изследвания, публикувани през юли в сп. Physical Review Letters. – В края на 80-те години стана възможно да се измери приносът на спина на кварките в спина на протона и първото измерване показа, че той е равен на нула. Това беше голяма изненада.“

По-късни измервания фактически оставили възможността за принос на кварките до 25% в сумарния спин на протона, но така или иначе лъвската част остава за пропадналия без следа спин.

Глуоните присъстват в протона като представители на силното ядрено взаимодействие – фундаментална сила, свързваща кварките. Спинът на всеки глуон е равен на единица и в зависимост от посоката, в която той се върти, може да съставя оставащата част от спина на протона. Тяхното измерване е изключително сложна задача.

RHIC е единственият експеримент, който трябва да реши този въпрос, тъй като това е единственият ускорител на частици, който е построен за сблъсъци на „спинполяризирани“ протони, което ще рече, че спинът на всички частици ще бъде в една посока, когато те се сблъскват. (На по-мощния Голям адронен колайдер в Швейцария спинът на частиците не се изравнява.)

Когато два протона се сблъскат, тяхното взаимодействие се контролира от мощна сила, затова глуоните вземат непосредствено участие. Ако спинът на глуона се явява важна съставка от спина на протона, ориентацията на спиновете на сблъскващите се протони ще повлияе на резултата.

Учените очаквали, че сблъсъкът между два протона, чиито спинове били изравнени, ще протече на друга честота в сравнение със сблъсъка на протони, които са насочени в противоположни посоки. И според последните данни от RHIC разлика има.

„Ако няма определени позиции, разликата ще бъде равна на нула – казва физикът Хуан Рохо от университета на Оксфорд. – Ако асиметрията не е нулева, разпределението на спина няма да е тривиално.“

Екипът на Рохо разчитал, че глуоните вероятно внасят половината от спина в свойствата на протона. Де Флориан и колегите му анализирали тези данни с RHIC, но използвали друг математически анализ за изчислението на приноса на глуоните. Те също открили, че спинът на глуоните може да е съществено важен.

„Тези данни за първи път показаха, че поляризацията на глуоните е ненулева; глуоните са поляризирани. Принципно те може да са отговорни за остатъка от спина на протона, но неопределеността е изключително висока.“

Двата екипа твърдят, че работата им се явява едва началното изясняване на това как глуоните определят спина на протона. За по-голяма увереност трябва по-сериозен експеримент.

Най-добър кандидат ще бъде строителството на електрон-йонен колайдер в Брукхейвън. Този ускорител ще сблъсква поляризирани протони при по-високи енергии от RHIC и ще може да определи приноса на високоенергийните глуони в спина на протона, а не в диапазона на по-ниски енергии, както сега.

Ако спинът на глуоните не компенсира недостигащия спин на протона, той може да се определя от орбиталния ъглов момент на кварките и глуоните, роящи се около протона. Също както Земята се върти около своята ос и около Слънцето, кварките и глуоните имат свой собствен вътрешен спин заедно с ъгловия момент, който се появява в резултат на движенията им около центъра на протона.

Въпросът, казва физикът Робърт Яфе от Масачузетския технологичен институт, който не взел участие в изследванията, е в това каква част от сумарния спин осигурява всеки от елементите.

„Измерването на приноса на глуоните в спина на протона е важна крачка за отговор на въпроса“, отбелязва той.

Решаването на кризата на протона има жизненоважно значение не само за разбирането на спина, но и за изучаването на това как протоните и много други частици придобиват своята маса. Наскоро откритият Хигс бозон, както често се отбелязва, носи отговорност за наличието на маса на всички други частици.

Това е истина, но не цялата, казва Рохо. В допълнение към механизма на Хигс трябва има и друг процес, даващ маса на протоните. Този процес е свързан с това, защо кварките и глуоните винаги се откриват заедно в други частици от рода на протона и никога – самостоятелно. Динамиката на тази връзка (конфайнмънт) също влияе на поляризацията на спина на кварките и глуоните.

„Един от сложните проблеми на съвременната теоретична физика е разбирането на конфайнмънта – казва Рохо. – Колкото по-бързо разберем поляризираното разпределение на кварките и глуоните, толкова повече ще се приближим към разбирането на конфайнмънта. Разбирайки механизма на конфайнмънта, ще разберем откъде протонът взема своята маса.“