Вчені передбачили існування частки, відомої як одерон, ще у 1973 році, описавши її як рідкісне, недовговічне з’єднання трьох менших часток, відомих як глюони. Відтоді дослідники підозрювали, що одерон може з’явитися, коли протони зіткнуться на екстремальних швидкостях, але точні умови, при яких він виникне, залишалися загадкою.
Тепер, після порівняння даних з Великого адронного коллайдера, кільцевого руйнівника атомів довжиною 27 км недалеко від Женеви, який відомий виявленням бозона Хіггса, і Теватрона, нині неіснуючого американського колайдера довжиною 6,3 км, який вражав протони і їх близнюків з антиречовини в Іллінойсі, дослідники повідомляють неспростовні докази існування одерона.
У пошуках одерона
Після зіткнень часок вчені спостерігали, що відбувається. Вони припустили, що одерони будуть з’являтися з різною швидкістю в протон-протонних зіткненнях і протон-антипротонних зіткненнях. Ця різниця виявиться в невеликій невідповідності між частотами протонів, що відбиваються від інших протонів, і частотами протонів, що відбиваються від антипротонів.
Зіткнення LHC і Теватрона відбулися на різних рівнях енергії. Але дослідники розробили математичний підхід для порівняння своїх даних і створили цей графік, який вони назвали «money plot»:
Синя лінія, що представляє зіткнення протонів з антипротонами, не ідеально збігається з червоною лінією, яка представляє зіткнення протонів з протонами. Ця різниця є контрольною ознакою одерона – продемонстрована за допомогою статистичної значимості 5 сигм, вона означає, що ймовірність того, що подібний ефект виникне випадковим чином без задіяних одеронів, буде 1 до 3,5 млн.
Чому зіткнення протонів створюють одерони
Отже, що таке одерони? По суті, це рідкісна комбінація трьох «липких» часток, відомих як глюони. Протони не є фундаментальними неподільними частками. Швидше вони складаються з трьох кварків і безлічі глюонів. Ці кварки – найсильніші нападники в субатомному світі, дещо громіздкі і відповідають за створення маси протонів і нейтронів і електромагнітного заряду. Але глюони грають не менш важливу роль: вони несуть сильну взаємодію, одну з чотирьох фундаментальних сил Всесвіту, що відповідає за «склеювання» кварків в протони і нейтрони, а потім зв’язування цих протонів і нейтронів всередині атомних ядер.
По темі: Відтворено перші частки у Всесвіті. Спойлер: вони виглядають дивно
Коли протони стикаються на надвисоких енергіях всередині колайдерів часток, таких як LHC, вони розбиваються на частини приблизно у 75% випадків. Інші 25% часу вони відскакують один від одного, в цьому випадку – процесі, званому пружним розсіюванням – протони виживають при зіткненні. І фізики вважають, що це можливо, тому що протони обмінюються двома або трьома глюонами. У короткочасній точці контакту цей набір глюонів переміщається зсередини одного протона всередину іншого. Важливо, щоб протон-протонні зіткнення, так і протон-антипротонні зіткнення обмінювалися частками, тому що одерон був виявлений саме цій тонкій різниці між цими двома типами обмінів.
Іноді під час зіткнення виникає квазістан, званий глюболом – пара або тріо глюонів. Вчені вже підтвердили існування подвійного глюбола, але це перший раз, коли вони з упевненістю спостерігали потрійний глюбол, званий одероном, той самий, існування якого передбачали в 1973 році.
Кольорові властивості
Ці глюболи зберігають протони недоторканими завдяки якості, званої кольором. Кольори (і антикольори) схожі на позитивні і негативні електромагнітні заряди – вони контролюють, як кварки і глюони притягуються або відштовхуються один від одного в системі, набагато складнішій, ніж електромагнетизм, відомій як квантова хромодинаміка. Кварки і глюони можуть мати один з трьох зарядів, що класифікуються як червоний, зелений або синій. А поєднання червоного, зеленого і синього вважається «білим» і, отже, збалансованим.
Тим часом в антикварків є антикольори – античервоний, антизелений і антисиній, – які компенсуються своїми колірними аналогами, утворюючи стабільний збалансований білий заряд. А у глюонів є і кольори, і антикольори. Але окремі глюони завжди є нестабільною сумішшю кольору і антикольору: синього і антизеленого, або червоного і антисинього і т. д.
По темі: Величезна частка антиречовини врізалася в Антарктиду
Коли один глюон входить в новий протон, він захоплює інші частки – кварки і глюони, складові протона. Одиночний глюон прагне з’єднатися з частками, які врівноважують його колір і антиколір. Але кольори всередині протона вже збалансовані, і проникнення стороннього, нестабільного глюона порушує внутрішній баланс протона, викликаючи каскад подій, що розривають частку на частини. Ось що відбувається в 75% зіткнень, коли протони розлітаються.
Але у чверті випадків, коли протони відскакують один від одного, а не розриваються, це ознака того, що в обміні глюонами брав участь подвійний чи потрійний глюбол (одерон), і тому внутрішній баланс протонів не порушувався. Подвійні глюболи мають власний внутрішній баланс. Їх кольорові і антикольорові заряди збігаються і легко переходять від одного протона до іншого, не розриваючи їх. У 1973 році дослідники показали, що три глюони теоретично можуть утворювати потрійний глюбол, в якому червоний, зелений і синій кольори врівноважують один одного. Вони назвали цю частку одероном.
Глюонний і багатоглюонний обміни відбуваються в найкоротші моменти часу при найекстремальніших енергіях. Досі ніхто ніколи не бачив і не виявляв безпосередньо одерон (або подвійний глюбол, якщо вже так, хоча його існування було побічно підтверджено).
Виявлення одерона не змінить обличчя фізики, бо, як стверджують вчені, це не зовсім справжня частка, а квазічастка, тому що це не більше ніж тимчасове розташування дрібніших часток (хоча те ж саме можна сказати про протони і нейтрони.) Але це відкриття важливе, тому що воно підтверджує, що основні ідеї про фізику елементарних часток, які дослідники використовували для передбачення існування одерона ще в 1973 році, були правильними.
Читайте також: