GEM forenkler den indre struktur af protoner og deres kollisioner

Inde i hver proton eller neutron er der tre kvarker bundet af gluoner. Indtil nu, det er ofte blevet antaget, at to af dem danner et "stabilt" par kendt som en diquark. Det ser ud til, imidlertid, at det er enden af ​​vejen for diquarks i fysik. Dette er en af ​​konklusionerne af den nye model for proton-proton- eller proton-kernekollisioner, som tager højde for gluonernes interaktioner med havet af virtuelle kvarker og antikvarker.

I fysikken, fremkomsten af ​​en ny teoretisk model foreskriver ofte dårligt for gamle begreber. Dette er også tilfældet med beskrivelsen af ​​kollisioner af protoner med protoner eller atomkerner, foreslået af videnskabsmænd fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow. I den nyeste model, en væsentlig rolle spilles af interaktioner af gluoner udsendt af en proton med havet af virtuelle kvarker og antikvarker, dukker op og forsvinder inde i en anden proton eller neutron.

Gluoner er bærere af den stærke kraft, en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter. Dette binder kvarker til sammensatte strukturer, såsom protoner eller neutroner. I mange henseender den stærke kraft adskiller sig fra de andre. For eksempel, det svækkes ikke, men vokser med afstanden mellem partiklerne. I øvrigt, i modsætning til fotoner, gluoner bærer en bestemt slags ladning (billedligt kendt som farve) og kan interagere med hinanden.

Størstedelen af ​​nukleare reaktioner - inklusive hovedparten af ​​kollisioner af protoner med protoner eller atomkerner - er processer, hvor partikler kun "børster mod" hinanden ved at udveksle gluoner. Kollisioner af denne type kaldes "bløde" af fysikere og volder dem problemer, da teorien, der beskriver dem, er uoverskuelig fra første principper. Dermed, af nødvendighed, alle nutidens modeller af bløde processer er mere eller mindre fænomenologiske.

"I begyndelsen, vi ønskede kun at se, hvordan det eksisterende værktøj, kendt som dual parton-modellen, håndterer mere præcise eksperimentelle data om proton-proton og proton-carbon-kernekollisioner, " husker prof. Marek Jezabek (IFJ PAN). "Det viste sig hurtigt, at det ikke klarede sig godt. Så vi besluttede, på grundlag af den gamle model, som har været under udvikling i over fire årtier, at forsøge at skabe noget, der på den ene side var mere præcist, og på den anden side - tættere på de beskrevne fænomeners natur."

Gluonudvekslingsmodellen (GEM) bygget på IFJ PAN er også fænomenologisk. Imidlertid, den er ikke baseret på analogier til andre fysiske fænomener, men direkte på eksistensen af ​​kvarker og gluoner og deres grundlæggende egenskaber. I øvrigt, GEM tager højde for eksistensen i protoner og neutroner af ikke kun tripletter af de vigtigste (valens) kvarker, men også havet af konstant opståede og udslettede par virtuelle kvarker og antikvarker. Ud over, den tager højde for de begrænsninger, der følger af princippet om bevarelse af baryontal. I forenklede vendinger, der står, at antallet af baryoner (dvs. protoner og neutroner), der eksisterer før og efter interaktionen, skal forblive uændrede. Da hver kvark har sit eget baryonnummer (lig med 1/3), dette princip giver mere pålidelige konklusioner om, hvad der sker med kvarkerne og gluonerne, der udveksles mellem dem.

"GEM har givet os mulighed for at udforske nye scenarier for hændelsesforløbet, der involverer protoner og neutroner, " siger Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN). "Lad os forestille os, for eksempel, at i løbet af en blød proton-proton-kollision, en af ​​protonerne udsender en gluon, som rammer den anden proton - ikke dens valenskvark, men en kvark fra det virtuelle hav, der eksisterer i en brøkdel af et øjeblik. Når en sådan gluon absorberes, havkvarken og antikvarken, der danner et par, ophører med at være virtuelle og materialiseres til andre partikler i specifikke sluttilstande. Bemærk, at i dette scenarie, nye partikler dannes på trods af, at valenskvarkerne for en af ​​protonerne er forblevet urørte."

Cracow gluon-modellen fører til interessant indsigt, hvoraf to er særligt bemærkelsesværdige. Den første vedrører oprindelsen af ​​diffraktive protoner, observeret ved proton-proton-kollisioner. Det er hurtige protoner, der kommer ud af kollisionsstedet i små vinkler. Indtil nu, man mente, at de ikke kunne fremstilles ved farveændringsprocesser, og at en anden fysisk mekanisme var ansvarlig for deres produktion. Nu, det viser sig, at tilstedeværelsen af ​​diffraktive protoner kan forklares ved vekselvirkningen mellem gluonen, der udsendes af en proton, med havkvarkerne fra en anden proton.

En anden observation er også interessant. Den tidligere beskrivelse af bløde kollisioner antog, at to af de tre valenskvarker af en proton eller en neutron er bundet sammen, så de danner et "molekyle" kaldet en diquark. Eksistensen af ​​diquark var en hypotese, som ikke alle fysikere ville stå inde for vilkårligt, men konceptet blev meget brugt - noget der nu sandsynligvis vil ændre sig. GEM-modellen blev konfronteret med eksperimentelle data, der beskriver en situation, hvor en proton kolliderer med en kulstofkerne og interagerer med to eller flere protoner/neutroner undervejs. Det viste sig, at for at være i overensstemmelse med målingerne, under den nye model, disintegration af diquark må antages i mindst halvdelen af ​​tilfældene.

"Dermed, meget tyder på, at diquarken i en proton eller neutron ikke er et stærkt bundet objekt. Det kan være, at diquark kun eksisterer effektivt som en tilfældig konfiguration af to kvarker, der danner en såkaldt farve-antitriplet - og når den kan, det går straks i opløsning, "siger Dr. Rybicki.

Cracow-modellen for gluonudveksling forklarer en bredere klasse af fænomener på en enklere og mere sammenhængende måde end de eksisterende værktøjer til beskrivelse af bløde kollisioner. De nuværende resultater, præsenteret i en artikel offentliggjort i Fysik bogstaver B , have interessante implikationer for fænomener til udslettelse af stof-antistof, hvor en antiproton kunne udslette på mere end én proton/neutron i atomkernen. Derfor, forfatterne har allerede formuleret først, foreløbige forslag til at udføre nye målinger på CERN med en antiprotonstråle.