Учёные представили наиболее детальный анализ механизмов, посредством которых протоны и нейтроны приобретают свою массу. Результаты работы решают многолетнюю загадку, которую не смог объяснить механизм Хиггса, удостоенный Нобелевской премии. Исследование объединяет теоретическую физику с экспериментальными данными, собранными в течение почти 30 лет в Национальной ускорительной лаборатории им. Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) Министерства энергетики США.
Согласно Стандартной модели, элементарные частицы — кварки — получают свою массу благодаря механизму Хиггса. Однако, как показали эксперименты на Большом адронном коллайдере, этот механизм объясняет лишь малую часть массы протонов и нейтронов, из которых состоит большая часть видимой материи.
«Вклад этого механизма в измеренные массы протона и нейтрона составляет менее 2%», — объясняет Виктор Мокеев (Victor Mokeev), научный сотрудник Jefferson Lab.
Новое исследование показывает, что оставшиеся 98% массы возникают благодаря динамике сильного взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой (КХД). Особенностью этого взаимодействия является «самодействие глюонов». На расстояниях, сопоставимых с размером адрона (около 10-13 см), вместо «голых» кварков начинают играть роль «одетые» кварки. «Одетые» кварки — это «голые» кварки, окружённые облаками сильно связанных кварков и глюонов, которые постоянно рождаются и аннигилируют. В результате этого процесса почти безмассовые «голые» кварки превращаются в «одетые» кварки с массой около 400 МэВ. Именно сильное взаимодействие между этими «одетыми» кварками генерирует массу протона.
Прорыв стал возможен благодаря объединению теоретического метода континуальных уравнений Швингера (CSM), основанного на КХД, с экспериментальными данными. Ключевую роль сыграл детектор CLAS12, установленный в экспериментальном зале B Jefferson Lab. Это устройство высотой с тр`хэтажное здание регистрирует частицы, образующиеся при рассеянии интенсивных пучков электронов на протонах. Сравнивая экспериментальные данные с предсказаниями CSM, учёные подтвердили, что «одетые» кварки с динамически генерируемой массой являются активными силами, определяющими структуру протона.
Эксперименты, проведённые ранее на установке с энергией пучка 6 ГэВ, позволили исследовать область, в которой генерируется около 30% массы адронов. Данные, полученные на текущей установке с энергией 12 ГэВ, расширяют эту область примерно до 50%. В будущем учёные планируют использовать модернизированные пучки высокой энергии, чтобы полностью охватить диапазон расстояний, на которых возникает основная часть массы Вселенной.
