Исследователи создали точную модель сил, действующих внутри протона, и выяснили, насколько мощно удерживаются кварки вместе. Используя метод решеточной квантовой хромодинамики, им удалось разработать самую маленькую карту силового поля из когда-либо созданных. Результаты их работы показывают, что взаимодействия внутри протона такие сильные, как если бы вес десяти слонов был сжат в объеме менее атомного ядра.

Ученые смогли определить силы, действующие внутри протона, и с выдающейся точностью исследовали, как кварки — крошечные частицы внутри протона — реагируют на столкновения с высокоэнергетическими фотонами. Это исследование, проведенное международной командой ученых, в том числе специалистами из Университета Аделаиды, направлено на то, чтобы углубить понимание основных сил, формирующих природу.

Для моделирования этих сил был использован мощный вычислительный метод, известный как решеточная квантовая хромодинамика. «Мы применили этот подход, который разбивает пространство и время на мелкие сетки, чтобы смоделировать, как изменяется сильное взаимодействие — ключевая сила, соединяющая кварки в протоны и нейтроны, — в различных областях внутри протона», — пояснил доцент Росс Янг, заместитель заведующего кафедрой обучения и преподавания в Школе физики, химии и наук о Земле, который также является членом команды.

Команда ученых представила результат, который, возможно, является самой детальной картой силовых полей, известных в природе. Исследователь, студент Университета Аделаиды Джошуа Кроуфорд, возглавил проект вместе с коллегами из своего университета и международными партнерами.

«Наши результаты показывают, что даже на столь малых масштабах действующие силы невероятно велики и достигают полумиллиона ньютонов. Это эквивалентно весу примерно десяти слонов, сжатых в объеме, значительно меньшем, чем атомное ядро», — сообщил Джошуа.

«Эти силовые карты открывают новое понимание сложной внутренней динамики протона. Они помогают объяснить, почему он ведет себя так, как это наблюдается при высокоэнергетических столкновениях, например, на Большом адронном коллайдере, а также в исследованиях, посвященных изучению фундаментальной структуры материи», — добавил он.

Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой крупнейший в мире ускоритель частиц, обладающий самой высокой энергией. Он был создан в результате сотрудничества Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), в котором приняли участие больше 10 тыс. ученых, сотни университетов и лабораторий более чем из 100 стран. Главной целью БАК является предоставление физикам возможности проверять предсказания различных теорий физики элементарных частиц.

Как отмечает доцент Янг: «Эдисон изобрел лампочку не потому, что пытался сделать свечи более яркими; он использовал знания, накопленные многими поколениями ученых, исследовавшими взаимодействие света с материей. Этот процесс похож на то, что происходит и сегодня: современные исследования, такие как наша недавняя работа, показывают, как фундаментальные строительные блоки материи реагируют на свет, это, в свою очередь, расширяет наше понимание природы на самом базовом уровне».

С углубленным изучением внутренней структуры протона исследователи могут значительно улучшить применение протонов в передовых технологиях. Примером этого является протонная терапия, в которой высокоэнергетические протоны применяются для точного воздействия на опухоли, минимизируя при этом повреждение окружающих тканей.

Расширение знаний о структуре протона может привести к новым возможностям в науке и медицине, подобно тому как ранние открытия в области света стали основой для современных лазеров и методов визуализации.

Ранее моделирование, проведенное американскими физиками-теоретиками, позволило впервые полностью микроскопически охарактеризовать момент распада атома на две части, — это энергетическое событие, определившее новую эру в науке и технике.