У сярэдзіне XX стагоддзя навукоўцы пачалі разумець, што элементарныя часціцы - пратон і нейтрон - не такія ўжо простыя. Яны не толькі складаюцца з больш мініяцюрных «цаглінак», але ўнутры іх яшчэ адбываюцца пастаянныя складаныя ўзаемадзеяння фундаментальных часціц. Так, па выніках даследаванняў структуры пратона ў 1960-х высветлілася, што ён складаецца з трох кампанентаў, якія пазней назвалі кваркаў.
Першапачатковая мадэль мела на ўвазе, што ў пратон - тры кварка: два верхніх і адзін ніжні. Эпітэты адноснай вышыні выкарыстоўваюцца фізікамі метафарычна, яны толькі дапамагаюць зрабіць тэрміны прасцей і больш зразумелая. Гэтая спрошчаная мадэль (яе так зараз і называюць - «наіўнай») з трыма кварка ў пратоны дапамагла растлумачыць многія эфекты, назіраныя падчас эксперыментаў. Але не ўсё.
Пазней атрымалася ўсталяваць, што наяўнасцю ўсяго трох кваркаў структуру пратона ня апісаць. Калі коратка, серыя эксперыментаў па глыбока няпругкія сутыкненні гэтых часціц паказала, што ўсе некалькі складаней. У пратоны ёсць тры "асноўных" кварка (два верхніх і адзін ніжні), а таксама мноства пар кварк-антикварк, якія пастаянна ўзнікаюць і аннигилируют. Гэта значыць фактычна станоўчы нуклонов ўяўляе сабой «суп» з няспынна ўзаемадзейнічаюць фундаментальных часціц.
Але ў такім выпадку ўзнікала праблема: а чаму ў кожны асобны момант часу ў трох кваркаў ўнутры пратона няма пары ў выглядзе антикварка? Гэта супярэчыць шматлікім тэарэтычным выкладкамі і выглядае вельмі ненатуральна з пункту гледжання фізікі. Уласна кажучы, вышэйапісаны пытанне і ёсць сутнасць фундаментальнай асіметрыі пратона.
І нават без яго дазволу усё роўна неабходна было удакладняць структуру станоўчага нуклонов, чым і займалася ў канцы 1990-х калабарацыя NuSea (E866) на базе Нацыянальнай паскаральнае лабараторыі імя Энрыка Фермі (Fermilab) у ЗША. Фізікі сутыкалі разагнаныя да высокіх энергій пратоны і фіксавалі сляды такіх падзей. Тады ўдалося пацвердзіць асіметрыю размеркавання кваркаў ў пратонах для параўнальна вузкага дыяпазону якую нясе кваркаў імпульсаў «мацярынскай» часціцы. І на аснове гэтых дадзеных быў зроблены ў далёка прасунутыя і хай даволі праўдападобны, але ўсё ж не пацверджаны практычна прагноз: у іншых дыяпазонах якую нясе кваркаў імпульсу пратона асіметрыя будзе знікаць.
Адважнае заяву ладна скаланула навуковае супольнасць, але выглядала цалкам слушна. Так што шэраг раней прапрацоўваюцца мадэляў прыйшлося закінуць і заняцца стварэннем новых. На шчасце, сутнасць навуковага метаду пазнання заключаецца ў пастаяннай праверцы вынікаў. Таму зусім нядаўна завяршыўся новы эксперымент на магутнасцях ўсё той жа Fermilab. І ён сур'ёзна падкарэктаваў дадзеныя калег, атрыманыя больш за 20 гадоў таму.
Выніках гэтага вопыту прысвечана публікацыя ў рэцэнзуецца часопісе Nature, якую падрыхтавала буйная міжнародная каманда фізікаў. У ёй бралі ўдзел спецыялісты з вядучых амерыканскіх, тайваньскіх, ізраільскіх і японскіх тэхналагічных навукова-даследчых інстытутаў, а таксама найбуйнейшых фізічных лабараторый ЗША і Японіі. Асноўны масіў дадзеных збіралі на паскаральніку ў Fermilab ў рамках эксперыменту E-906 / SeaQuest.
Пры сутыкненні двух пратонаў досыць высокіх энергій якія ўваходзяць у іх кварк ўзаемадзейнічаюць адзін з адным. А дакладней, кварк аднаго пратона аннигилирует з антикварком іншага ці наадварот. Прасцей кажучы, «супы» змешваюцца. Прадуктам такой анігіляцыі будуць віртуальны (гэта значыць яго немагчыма дэтэктаваць наўпрост) фатон або Z-базон, якія амаль адразу распадуцца на пару процілегла зараджаных мюонов. Менавіта улоўліваючы гэтыя часціцы дэтэктарамі, навукоўцы судзяць аб характарыстыках ўзаемадзейнічаюць кваркаў.
Для правядзення эксперыменту выкарыстоўвалі пучок пратонаў з энергіяй 120 гігаэлектронвольт (не рэкорд, але шмат), накіраваны на мішэнь з вадкіх вадароду і дэйтэрыя (яны складаюцца пераважна з пратонаў). Каб зафіксаваць толькі мюоны і адфільтраваць любыя іншыя прадукты сутыкнення часціц, паміж мішэнню і дэтэктарамі размясцілі пяціметровую сцяну з жалеза. Вынікі апынуліся уражальнымі: апісаная некалькі вышэй асіметрыя захоўвалася для кваркаў, выносячы на 10% больш імпульсу ўсёй субатомной часціцы.
Вядома, гэта не гучная рэвалюцыя ў фізіцы, але сур'ёзнае эксперыментальнае пацверджанне шэрагу тэорый і заяўка на карэкціроўку іншых. Так ці інакш, навукоўцы яшчэ далей пашырылі разуменне структуры пратона. А гэта ў далейшым прынясе свой плён у самых розных галінах навукі і тэхнікі: ад касмалогіі з астраноміяй і фізікі да хіміі, медыцыны і матэрыялазнаўства.
Крыніца: Naked Science