Как COMPASS пион поляризовал

Пион оказался очень «жесткой» элементарной частицей – такой вывод сделали физики ЦЕРН на основе последних результатов эксперимента COMPASS.

Сильное взаимодействие связывает кварки в протонах и нейтронах, а протоны и нейтроны - в ядрах всех химических элементов, из которых построена материя. Частицы, состоящие из кварка и антикварка, называемые пионами, являются переносчиками сильного взаимодействия между нуклонами. Теория сильных взаимодействий даёт точное предсказание для физической величины, называемой поляризуемостью пиона, которая определяет степень деформации частицы под действием внешних сил. Поляризуемость пиона озадачивала физиков с 80-х годов прошлого века, когда были выполнены её первые измерения, поскольку экспериментальный результат не вполне соответствовал теоретическим предсказаниям. В эксперименте COMPASS (ЦЕРН) получены данные, которые находится в хорошем согласии с теорией. Результаты опубликованы в феврале в журнале Physical Review Letters.

«Несмотря на большие энергии, доступные в ЦЕРНе, этот эксперимент является серьёзным вызовом, поскольку поляризуемость пиона очень мала и связанный с ней эффект очень сложно выделить», –сказал Ян Фридрих, исследователь из Технического университета Мюнхена, один из ключевых участников проекта COMPASS.

Всё, что мы видим во Вселенной, состоит из фундаментальных частиц, кварков и лептонов. Кварки объединены в группы по три, образуя строительные блоки ядер – протоны и нейтроны. Ядро водорода, к примеру, состоит из одного протона, в то время, как ядро атома золота - из 79 протонов и 118 нейтронов. Испускание и поглощение пионов протонами и нейтронами и обеспечивает сильное взаимодействие, удерживая нуклоны в ядре. Пионы в свою очередь сами состоят из кварка и антикварка, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. Это делает их поляризуемость, то есть способность к деформации своеобразным пробником для межкварковых сил.

Для измерения поляризуемости пиона COMPASS выстреливал пучком пионов по никелевой мишени. Поскольку пионы в среднем приближались к ядру никеля на расстояние всего вдвое большее их радиуса, они испытывали действие очень сильного электрического поля, которое заставляло пионы деформироваться и менять свою траекторию в процессе испускания частицы света - фотона. Измеряя энергию испущенных фотонов и отклонение пиона на статистике в 63 000 событий, физики определили поляризуемость пиона. По результататам стало ясно, что пион значительно жёстче, чем показывали предыдущие эксперименты, как это и ожидалось из теории сильных взаимодействий.

«Этот результат является отличным дополнением к исследованиям фундаментальных взаимодействий, проводимых на Большом адроном коллайдере, и свидетельством разнообразия и мощи исследовательской программы ЦЕРНа, – сказал генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер. – В то время, как хиггсовский бозон, предложенный Браутом, Энглером и Хиггсом, обеспечивает массой фундаментальные частицы, позволяя таким образом существовать сложным объектам, большая часть нашей массы обеспечивается энергией связи сильного взаимодействия, удерживающего их вместе».

Фото CERN