Ученые впервые смогли исследовать внутреннюю структуру нейтрона

Внутри атома находятся три типа частиц: электроны, протоны и нейтроны. В области ядерной физики протоны и электроны, определяющие структуру и фундаментальные свойства атомов, были главными действующими лицами в бесчисленных экспериментах. Недавний эксперимент, проводившийся в течение десяти лет, позволил нам лучше понять их внутреннюю структуру. По мнению физиков, стоящих за ним, этот прорыв может помочь разрешить «кризис спина нуклона».

Основные компоненты атомного ядра были определены почти столетие назад. Электроны, отрицательно заряженные частицы, находятся в околоядерном пространстве, образуя электронные оболочки. Протоны, обладающие положительным зарядом, примерно в 2 000 раз массивнее электронов. Нейтроны, которые не имеют электрического заряда, находятся вместе с протонами в ядре. Вместе они образуют нуклоны, которые сами состоят из еще более мелких частиц: кварков и глюонов.

Кварки бывают шести типов, называемых «вкусами»: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), прелестный (b) и истинный (t). Протон состоит из двух восходящих и одного нисходящего кварков, а нейтрон — из двух нисходящих и одного восходящего кварков. Глюоны выступают в роли посредников, обеспечивая связь между кварками внутри нуклонов.

Тайна кварков и глюонов

Хотя о существовании кварков и глюонов известно, их движение и распределение в сердцевине нуклонов остаются малоизученными. Чтобы раскрыть эти секреты, за последние несколько десятилетий была проведена серия экспериментов с использованием ускорителей частиц. В одном из них, на ускорителе с непрерывным электронным пучком (CEBAF), нуклоны бомбардировались электронами и наблюдалось их рассеяние в результате явления, известного как «глубокое виртуальное комптоновское рассеяние» (DVCS). Во время этого взаимодействия нуклон поглощает часть энергии электрона и испускает фотон.

Благодаря детектору CLAS12, который использует пучок электронов с энергией 12 ГэВ, ученые смогли с высокой точностью проанализировать эти реакции. Однако до сих пор исследования были сосредоточены на протонах, а нейтроны было сложнее обнаружить. «В стандартной конфигурации было невозможно обнаружить нейтроны под такими углами», — заявила в пресс-релизе Сильвия Никколай, директор по исследованиям Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Чтобы преодолеть это препятствие, она предложила разработать специальный детектор, названный Центральным нейтронным детектором.

Нейтронный детектор, созданный по индивидуальному заказу

В 2011 году при поддержке своих коллег из Лаборатории физики двух бесконечностей имени Ирен Жолио-Кюри (IJCLab), совместного подразделения CNRS, Университета Париж-Сакле и Университета Париж-Сите, и при финансовой поддержке Французского национального института ядерной физики и физики частиц (IN2P3) Никколай инициировала строительство детектора.

К лучшему пониманию GPD E

Четыре года спустя, в 2015 году, центральный нейтронный детектор был введен в эксплуатацию. В период с 2019 по 2020 год он собрал ценные данные. Они показали, что прибор эффективно охватывает все углы, необходимые для обнаружения нейтронов. Однако мертвые зоны в детекторе приводили к загрязнению протонами.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы отличить настоящие нейтроны от ложных сигналов. Это позволило им провести первые исследования DVCS на нейтронах. Затем эти измерения были интегрированы в теоретические модели, называемые обобщенными партонными распределениями (GPD), что позволило получить точную карту кварков и глюонов внутри нуклонов.

Прорыв в понимании спина нуклона

Благодаря этому прорыву команда смогла получить доступ к GPD E, ключевому параметру для понимания вклада кварков в спин нуклонов. «GPD E очень важен, потому что он может дать нам информацию о спиновой структуре нуклонов», — объясняет Сильвия Никколаи.

Сравнивая результаты экспериментов с протонами и нейтронами, исследователи также выделили, по вкусу, вклад различных типов кварков. Эта работа может помочь разрешить «нуклонный спиновый кризис» (открытие, что кварки вносят лишь небольшую долю в общий спин протонов, что ставит под сомнение первоначальные модели их внутренней структуры) и углубить наше понимание внутренней динамики элементарных частиц.