В середине 20 века учёные обнаружили, что протоны обладают способностью резонировать, подобно вибрации часов. В течение следующих трех десятилетий трехмерные изображения протона продолжали развиваться, и было достигнуто более глубокое понимание структуры протона в его основном состоянии. Однако понимание трехмерной структуры резонансных протонов все еще ограничено.

Недавний эксперимент, проведенный в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, углубляется в трехмерную структуру протонных и нейтронных резонансов. Это исследование представляет собой еще одну часть загадки картины Вселенной, в которой хаос впервые возник после Большого взрыва.

Изучение основных свойств и поведения нуклонов дает важные ключи к пониманию основных строительных блоков материи. Нуклоны — это протоны и нейтроны, составляющие ядро ​​атома. Каждый нуклон состоит из трех кварков, удерживаемых вместе глюонами под действием сильного взаимодействия — самой сильной силы в природе.

Наиболее стабильное и низкоэнергетическое состояние ядра называется основным состоянием. Но когда нуклон принудительно переводят в высокоэнергетическое состояние, его кварки вращаются и вибрируют друг с другом, демонстрируя так называемый нуклонный резонанс.

Группа физиков из Университета Юстуса Либиха (JLU) в Гиссене, Германия, и Университета Коннектикута, возглавляющая коллаборацию CLAS, провела эксперимент по изучению этих нуклонных резонансов. Эксперименты проводились в Ускорителе непрерывного электронного пучка мирового класса (CEBAF) Лаборатории Джефферсона. CEBAF — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики, который поддерживает исследования более 1800 физиков-ядерщиков по всему миру. Результаты исследования были недавно опубликованы в престижном рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Стефан Диль, руководитель аналитической группы, сказал, что работа группы раскрыла фундаментальные свойства ядерного резонанса. Диль — постдокторант и руководитель проекта в Институте физики II Университета Гиссена и профессор-исследователь в Университете Коннектикута. Эта работа также стимулирует новые исследования трехмерной структуры и процессов возбуждения резонансных протонов.

«Это первый раз, когда мы провели измерения и наблюдения, чувствительные к трехмерным характеристикам этого возбужденного состояния», — говорит Диль. «В принципе, это только начало, и такого рода измерения открывают новую область исследований».

Эксперимент проводился в Экспериментальном зале B в 2018-2019 годах с использованием детектора CLAS12 лаборатории Джефферсона. Пучок высокоэнергетических электронов подается в камеру с охлажденным газообразным водородом. Электрон ударяется о протон мишени, возбуждая находящиеся внутри него кварки и объединяясь с кварк-антикварковыми состояниями (так называемыми мезонами), создавая нуклонный резонанс.

Такие возбуждения мимолетны, но они оставляют свидетельства своего существования в виде новых частиц, которые создаются в результате энергетического деления возбужденных частиц. Эти новые частицы достаточно длинные, чтобы детекторы могли их уловить, поэтому команда может восстановить резонансы.

Диль и др. недавно обсудили свои результаты на совместном семинаре «Исследование резонансных структур с переходными GPD» в Тренто, Италия. Это исследование вдохновило две теоретические группы на публикацию соответствующих статей.

Команда также планирует провести дополнительные эксперименты в лаборатории Джефферсона, используя различные мишени и поляризации. Путем рассеяния электронов на поляризованных протонах они могут получить различные характеристики процесса рассеяния. Кроме того, изучение подобных процессов, таких как объединение фотонов высокой энергии для создания резонансов, также может дать более важную информацию.

Диль сказал, что с помощью этих экспериментов физики могут выяснить характеристики ранней Вселенной после Большого взрыва: «Вначале в ранней Вселенной была только некоторая плазма, состоящая из кварков и глюонов, и эта плазма вращалась, потому что энергия была слишком высокой. Затем, в определенный момент, начала формироваться материя, и первыми образовались возбужденные состояния нуклонов. Когда Вселенная расширялась дальше, она остыла и появились нуклоны в основном состоянии».

«Благодаря этим исследованиям мы сможем понять характеристики этих резонансов. Это расскажет нам, как сформировалась материя во Вселенной и почему Вселенная существует в той форме, в которой она существует».