Сто одежек чармониума: «луковая» структура мезона удивила ученых

Расчёты китайских и американских физиков показали , что мезон чармоний имеет уникальную структуру, напоминающую луковицу. Используя упрощённую версию квантовой хромодинамики (КХД) и обширные компьютерные симуляции, учёные установили, что субатомная частица состоит из вложенных слоёв, каждый из которых содержит разные типы составляющих частиц.

Член исследовательской группы Синбо Чжао из Института современной физики и Китайской академии наук пояснил, что чармоний состоит преимущественно из пары чарм-кварка и антикварка, что делает его одним из самых простых адронов. "Его составляющие кварки очень массивные по сравнению с кварками, образующими протоны и нейтроны," отметил Чжао. Он также сравнил чармоний с атомом водорода в квантовой хромодинамике, подчеркивая его фундаментальность и простоту, что позволяет глубже понять взаимодействия, определяющие его свойства.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие связывает кварки в составные объекты, называемые адронами (к которым относятся и мезоны, такие как чармоний), посредством обмена глюонами. Это похоже на то, как электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами передаются фотонами, квантами электромагнитного поля. Однако теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, значительно сложнее, чем квантовая электродинамика, описывающая электромагнитное взаимодействие. Эта сложность затрудняет точные расчёты свойств адронов.

В недавнем исследовании Чжао и его коллеги изучали чармоний с использованием упрощённой теории, в которой число состояний составляющих частиц искусственно ограничено и не все сложные аспекты взаимодействий кварков учитываются. Такой подход, известный как квантование на световом фронте, позволил команде вычислить распределение массы и давления внутри чармония. В математическом аппарате КХД эти распределения кодируются в гравитационных форм-факторах.

Распределение энергии и силы

"Гравитационные форм-факторы описывают, как адрон, такой как протон, взаимодействует с гравитоном, квантовой частицей гравитации," сказал Чжао. "Они интересны, потому что кодируют распределение энергии и силы внутри адрона." Знание этих форм-факторов позволило исследователям определить структуру чармония, показав, где расположены стабильные чарм и античарм кварки (так называемые валентные кварки), а также области, занятые виртуальными кварками, постоянно рождающимися и исчезающими в вакууме (названные крошечными партоннами).

Исследование также показало, что структура чармония включает в себя виртуальные адроны, такие как пионы, каоны и мюзоны, а также глюоболы, состоящие только из глюонов. "Мы обнаружили, что чармоний — это слоистая система, как луковица!" объяснил Чжао. "В центре находятся валентные кварки, окружённые крошечными партоннами. Внешние слои чармония состоят из глюоболов и облаков мезонов. Эта слоистая структура соответствует картине, установленной в экспериментах на высоких энергиях."

Подтверждение и последствия

Эти результаты представляют значительный прогресс в понимании сильных взаимодействий, подтверждая, что приблизительные методы КХД могут точно описывать экспериментальные данные. Учёные полагают, что распределение массы и давления внутри чармония, которое они получили, может быть измерено с высокой точностью в будущих экспериментах на высоких энергиях, таких как те, которые планируются на строящемся в США электрон-ионном Коллайдере . Это ещё больше подтвердит метод квантования на световом фронте.

"Нахожу эту работу очень интересной по двум причинам," сказал Волкер Буркерт из Национального ускорительного центра имени Томаса Джефферсона в Вирджинии, не участвовавший в исследовании. "Во-первых, изучен особый тип адронов, состоящий из одного чарм-кварка и одного антикварка, которые намного тяжелее кварков в протоне. Во-вторых, интересно, что структура давления этой частицы имеет несколько точек пересечения нуля, что может указывать на наличие практически разъединённых областей давления. Было бы чрезвычайно интересно, если бы это удалось экспериментально подтвердить."

Перспективы и вызовы

Чжао и его коллеги надеются дальше совершенствовать свой подход для изучения структуры чармония с ещё большей точностью. Например, их метод пока не позволяет различить вклады глюоболов и мезонов в самую внешнюю оболочку чармония. Также постоянное улучшение компьютерных технологий, необходимых для таких расчётов, должно повысить точность их анализа и позволить применить метод для изучения других адронов.

"В будущем мы намерены расширить наш метод для изучения протонов, нейтронов и даже ядер," заключил Чжао. "Для сложных систем, таких как протон, глюоны играют решающую роль. Нам нужна лучшая обработка этих взаимодействий и, что более важно, усовершенствованная вычислительная схема для обработки большого объёма расчётов. Квантование на световом фронте предназначено для достижения этого на ближайших суперкомпьютерах или, в идеале, на будущих квантовых компьютерах."