У протонов обнаружено не наблюдавшееся ранее квантовое поведение

В новом исследовании Владимиров и его коллеги сосредоточились на одном из ярких квантовых эффектов — интерференции кварков и глюонов в протоне. Квантовые частицы обладают волновой природой, а интерференция означает, что две квантовые волны материи накладываются друг на друга, усиливаясь в одних областях и гася друг друга в других. Математически это выглядит так: если в классическом случае две вероятности просто складываются, то при наличии интерференции их комбинация порождает больше математических членов, чем простая сумма.

Исследователи разработали метод, позволяющий извлечь математические признаки квантовой интерференции из объединенного анализа более десятка самых разных наборов данных, собранных в ЦЕРНе, немецком национальном центре DESY и на других ускорителях. «Все предыдущие попытки не увенчались успехом, потому что исследователи пытались анализировать лишь какой-то один источник [данных]», — объясняет Владимиров.

Объединение всей информации в единую картину стало серьезной технической задачей — но оно с лихвой окупилось благодаря новой ясности. Ученые смогли идентифицировать конкретные случаи квантовой интерференции внутри протона, например, когда глюон интерферирует с комбинацией кварка и антикварка.

По мнению Владимирова, это открытие — напоминание физикам о необходимости более пристального внимания к квантовой природе протона.

«Протон принято считать почти классическим мешком с частицами. Мы показываем обратное — а значит, он гораздо более квантовый, чем принято думать», — резюмирует он.

Это первый масштабный анализ такого рода, доведенный до конца, и он должен стимулировать новые эксперименты, считает профессор Владимир Браун из Регенсбургского университета. Например, будущие исследования на таких установках, как ускоритель электронов в лаборатории Джефферсона могли бы выявить дополнительные признаки квантовой интерференции и связать их с другими эффектами, возникающими при столкновении частиц на высоких скоростях.

Сам Браун никогда не сомневался в квантовой природе протона, но детали интерференционных эффектов, описанные в новой работе, его удивили. «Я занимаюсь этой физикой уже 40 лет, и я ожидал, что основные эффекты проявятся совсем в другой области», — признается профессор.

В дальнейшем команда планирует расширить свой набор данных и анализ, чтобы повысить достоверность выводов (они пока на уровне 2–3 сигма). Остается и большой вопрос о том, как интерпретировать полученные результаты и воссоздать более полную картину внутреннего устройства протона. Например, интерференционный эффект связан с квантово-механическим спином кварков и глюонов, который до сих пор не был ни полностью понят, ни измерен с высокой точностью.

В конечном счете, такие исследования — это путь к пониманию сильного взаимодействия, одной из базовых основ мироздания.

Физики уточнили размер протона

Физики впервые наблюдали квантовую запутанность у кварков

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX