Иллюстрация: CERN. Мы привыкли думать, что окружающий мир прочен и осязаем, однако 99% массы всей видимой материи Вселенной заключено в ядрах атомов — протонах и нейтронах, — которые внутри представляют собой бушующий хаос. Школьные учебники предлагают обманчиво простую картину: протон состоит из трех фундаментаческих кирпичиков — двух верхних (u) и одного нижнего (d) кварков. Но если сложить их массы, мы получим лишь около 2% от реального веса протона. Где скрывается остальное? Ответ кроется в динамике квантовой хромодинамики (КХД). Внутри протона непрерывно кипит так называемое «кварковое море» — квантовый шторм, в котором из чистой энергии глюонного поля ежесекундно рождаются и бесследно исчезают виртуальные пары частиц и античастиц. Долгое время фундаментальным вызовом для квантовой физики оставался вопрос: влияют ли на массу протона более тяжелые, «экзотические» кварки, которые формально не входят в его классический состав? Главным подозреваемым стал странный кварк (s)-кварк.

Недавний прорыв в этой области совершила группа физиков из Института современной физики Китайской академии наук (CAS) во главе с профессором Чэнь Сюйжуном. Используя передовые вычисления решеточной КХД на суперкомпьютерах и анализ экспериментальных данных, китайские ученые смогли впервые изолировать и с высокой точностью измерить чистый вклад странного кварка в массу протона. Согласно их выводам, влияние тяжелых виртуальных кварков на массу нуклонов оказалось значительно более весомым, чем фундаментальное сообщество предполагало ранее. Физики численно определили, что вклад странного кварка составляет, в зависимости от теоретической модели, 338 или 456 МэВ, продемонстрировав беспрецедентную статистическую значимость открытия (от 3,2 до 7,1 стандартного отклонения).

Исторический экскурс: от «зоопарка частиц» к решеточной вселенной

Путь к пониманию внутренней структуры простейшего ядра занял более полувека драматических поисков:

• 1964 год — Рождение гипотезы: Физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предлагают кварковую модель, чтобы навести порядок в «зоопарке» сотен открытых субатомных частиц. Кварки долгое время считаются лишь математической abstraction.
• 1968 год — Эра Стэнфорда: Эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонных мишенях в Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) доказывают: внутри протона есть жесткие точечные центры. Кварки обретают физическую реальность.
• 1970–1980-е годы — Глюонный клей и феномен конфайнмента: Физики понимают, что кварки навечно заперты внутри адронов (конфайнмент). Рождается КХД — теория, утверждающая, что масса рождается не из самих частиц, а из энергии их взаимодействия.
• XXI век — Эра суперкомпьютеров: Математические уравнения КХД невозможно решить аналитически на бумаге. Физика переходит к «решеточной КХД», где пространство-время моделируется в виде дискретной сетки, позволяющей рассчитывать субатомные процессы «из первых принципов».

Зачем нам это знать? Технологическое эхо фундаментального открытия

Понимание точного вклада странного кварка в массу протона — это не просто удовлетворение академического любопытства. Это ключ к технологиям будущего:

Сфера применения	Какую роль играет точность массы протона и КХД?
Новое поколение коллайдеров	Позволяет ученым в CERN и других мировых лабораториях безошибочно прогнозировать результаты столкновений частиц, отсекая квантовые шумы при поисках Новой физики и темной материи.
Квантовые вычисления и симуляции	Алгоритмы решеточной КХД, усовершенствованные для расчета массы протона, становятся базовыми архитектурными тестами для суперкомпьютеров и алгоритмов квантового моделирования материалов.
Ядерная энергетика будущего	Точные профили сильного взаимодействия кварков помогают точнее рассчитывать экстремальные состояния вещества в реакторах деления и перспективных установках термоядерного синтеза.
Астрофизика и гравитационные волны	Плотность и структура «странного кваркового вещества» напрямую определяют уравнения состояния нейтронных и гипотетических странных звезд. Это позволяет интерпретировать сигналы космических катастроф, регистрируемых детекторами гравитационных волн.

Разгадав, как мимолетные, виртуальные странные кварки формируют массу фундаментальной основы нашего мира, наука вплотную приближается к пониманию того, как энергия превращается в осязаемую материю.

Исследователи из Китая смогли уточнить степень влияния странного кварка на массу протона. Как показали проведенные исследования он равен 338 или 456 мегаэлектронвольт, что существенно зависит от модели, которая можеть быть со статистической значимостью 3,2 или 7,1 от стандартного отклонения соответственно. Результаты этого любопытного исследования опубликовано в журнале Physical Review D. Большая часть видимой материи во Вселенной состоит из протонов и нейтронов. Сами же протоны и нейтроны, согласно партонной модели, состоят из кварков и глюонов, а также из кваркового моря — постоянно рождающихся и исчезающих кварк-антикварковых пар. В этом кварковом море могут даже рождаться пары кварк-антикварк с массами больше массы самого нуклона.

Все эти компоненты влияют на свойства нуклонов. В частности, расчет массы протона показывает, что около 20 процентов его массы обеспечивается аномалиями, связанными с четырьмя кварками, которые не являются валентными (основными) для протона.

Коу Вэй (Wei Kou) и Чэнь Сюйжун (Xurong Chen) из Института современной физики Китайской академии наук рассчитали вклад странного кварка в массу протона на основе данных экспериментов J/ψ — 007 и GlueX. Для этого физики анализировали полученную в экспериментах зависимость дифференциального сечения припорогового процесса фоторождения векторного J/ψ мезона. Этот процесс можно использовать для получения гравитационного форм-фактора протона, который определяет распределение массы в нем.

Экспоненциальная и дипольная аппроксимация результатов эксперимента GlueX
Wei Kou and Xurong Chen / Physical Review D

В результате ученые определили массовый сигма-член, соответствующий странному кварку. Он оказался равен 455,62 ± 64,60 мегаэлектронвольта при аппроксимации экспериментальных данных экспоненциальной функцией или 337,74 ± 106,79 мегаэлектронвольта при использовании дипольной аппроксимации. Статистическая значимость ненулевого результата составила 7,1 и 3,2 стандартного отклонения соответственно.

Полученный массовый сигма-член странности протона
Wei Kou and Xurong Chen / Physical Review D

Полученные значения вклада странного кварка в массу протона значительно превосходят предыдущие теоретические оценки и достигают около 40 процентов. Ученые отмечают, что эти результаты получены в предположении наличия только трех ароматических кварков в протоне. Поэтому результаты исследования существенно зависят от достоверности и точности оценки параметров модели.

Процесс припорогового фоторождения векторных мезонов не в первый раз используется для изучения особенностей распределения массы в протоне. Ранее при помощи этого метода ученые определили массовый радиус протона.

География адронных лабораторий: кто решает загадку странного кварка в России и мире

Проблема «странности протона» и моделирование кваркового моря — это глобальный научный вызов, требующий непосредственного объединения гигантских экспериментальных установок и мощнейших суперкомпьютеров. Сегодня эта исследовательская траектория разделена на два ключевых фронта: высокопроизводительные теоретические расчеты (решеточная КХД) и прецизионные ускорительные эксперименты.

В этой гонке активно участвуют ведущие мировые институты и крупнейшие российские ядерные центры.

Мировые лидеры: Охота за квантовым морем

В глобальном масштабе основные исследования сосредоточены вокруг мегасайенс-установок и международных коллабораций, которые проверяют, насколько сильно «виртуальная экзотика» влияет на свойства стабильной материи:

• Институт современной физики Китайской академии наук (CAS), Ланьчжоу: Именно здесь группа профессора Чэнь Сюйжуна совершила упомянутый прорыв. Используя китайские суперкомпьютерные кластеры, они смогли разделить переплетенные вклады глюонных полей и вычленить чистую долю странного кварка. CAS продолжает наращивать доминирование в области решеточных симуляций нуклонов, готовя теоретическую базу для будущего Электрон-ионного коллайдера в Китае (EccC).
• ЦЕРН (CERN), Швейцария — Коллаборации LHCb и ATLAS: На Большом адронном коллайдере физики подходят к задаче экспериментально. Изучая жесткие столкновения протонов, ученые анализируют рождение редких Z- и W-бозонов, ассоциированных с очарованными и странными частицами. Например, детекторы ЦЕРН фиксируют рождение экзотических адронов (таких как пентакварки со странным кварком или дважды очарованные барионы), что позволяет на практике проверить точность теоретических моделей «кваркового моря».
• Брукхейвенская национальная лаборатория (BNL), США — Эксперимент STAR: На релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) международная группа ученых исследует так называемую «загадку протонного спина» и структуру морских кварков. Их данные по столкновениям поляризованных протонов помогают понять, как виртуальные кварк-антикварковые пары распределены внутри нуклона геометрически.

Российский вклад: Сильное взаимодействие и адронная материя

Российская физическая школа обладает мощными компетенциями в области квантовой хромодинамики и физики адронов. Отечественные ученые ведут работу как на собственных установках, так и в рамках тесной क्षेत्राльной кооперации с зарубежными ядерными центрами:

• Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), Дубна:
  Российские физики из Дубны традиционно сильны в феноменологическом описании структуры нуклонов. Ученые ОИЯИ участвуют в анализе данных с американского коллайдера RHIC (эксперимент STAR) и европейского LHC. Кроме того, в Дубне готовится к запуску собственный мегасайенс-проект — коллайдер NICA. Одной из его фундаментальных задач является изучение фазовых переходов ядерной материи и генерации массы в барион-обогащенной среде. Исследование того, как именно странные кварки ведут себя при экстремальных плотностях, станет одной из главных карт в колоде NICA.
• НИЦ «Курчатовский институт» (включая ИФВЭ в Протвино и ПИЯФ в Гатчине):
  Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) обладает крупнейшим в России протонным синхротроном У-70. Эксперименты на выведенных пучках У-70 десятилетиями позволяли изучать спектроскопию адронов и процессы конфайнмента (запирания кварков). Специалисты Курчатовского института активно разрабатывают математические модели непертурбативной (низкоэнергетической) КХД — той самой области, где стандартные формулы физики бессильны и требуется описывать массу протона «из первых принципов».
• Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ), Новосибирск:
  Сибирские физики подходят к кварковой структуре через прецизионные измерения на электрон-позитронных коллайдерах (ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М). Сталкивая электроны и позитроны, они с уникальной точностью измеряют сечения рождения легких адронов, содержащих странные кварки (например, φ-мезонов). Эти экспериментальные константы служат фундаментальной «опорной линейкой», по которой физики всего мира (включая китайских теоретиков) проверяют и калибруют свои суперкомпьютерные вычисления решеточной КХД.

Таким образом, если китайские ученые выступают сегодня локомотивом в области сложнейших численных симуляций субатомного мира, то российские институты обеспечивают этот процесс важнейшей экспериментальной базой и глубокими теоретическими моделями, без которых интерпретация квантового шторма внутри протона была бы невозможна.

Завершение квантовой одиссеи: архитектура новой физики и технологический горизонт

Экспериментальное и теоретическое подтверждение точного вклада странного кварка в массу протона, полученное китайскими физиками, ставит точку в многолетних дискуссиях о внутренней динамике нуклонов. Масса окружающего нас мира не является статической суммой его частей; она динамически генерируется в бурлящем квантовом море. Открытие того, что виртуальные s-кварки вносят весомый вклад в энергетический баланс протона, меняет наши представления о стабильной материи. Оно доказывает, что для описания фундаментальных свойств Вселенной недостаточно учитывать только валентные частицы — необходимо с ювелирной точностью калибровать влияние флуктуаций физического вакуума.

Перспективы развития технологии и научных методов

Успех китайских исследователей открывает качественно новые векторы развития как для фундаментальной науки, так и для прикладных ИТ-архитектур:

• Стандартизация суперкомпьютерных вычислений: Методы решеточной КХД, адаптированные для этого открытия, станут эталонными тестами (бенчмарками) для суперкомпьютеров экстра-класса и будущих квантовых процессоров. Симуляция «кваркового моря» требует колоссальных мощностей, что форсирует разработку алгоритмов тензорных сетей и нейросетевого моделирования в квантовой физике.
• Калибровка детекторов Новой физики: Уточненные данные о внутренней структуре протона будут заложены в программное обеспечение строящихся ускорителей — таких как Электрон-ионный коллайдер (EIC) в США и аналогичный проект ECcC в Китае. Это позволит физикам точнее отсекать фоновые шумы КХД при поисках гипотетических частиц (аксионов, темных фотонов и кандидатов в темную материю).
• Моделирование экстремального состояния вещества: Данные о странной компоненте протона лягут в основу новых моделей строения нейтронных звезд. Физики получат возможность точнее рассчитывать фазовые переходы ядерной материи в кварк-глюонную плазму, что критически важно для интерпретации сигналов от детекторов гравитационных волн (LIGO, Virgo, KAGRA).

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как странный кварк может влиять на протон, если протон состоит только из верхних (u) и нижних (d) кварков?
Официальный состав протона (uud) — это лишь его «валентный» скелет, определяющий электрический заряд. Однако внутри протона непрерывно флуктуирует глюонное поле. Согласно законам квантовой механики, энергия этого поля постоянно рождает пары виртуальных кварков и антикварков любых типов, включая более тяжелые странные (s) кварки. Они существуют доли секунды, но их совокупная энергия вносит прямой вклад в массу протона.

Почему китайским ученым удалось измерить этот вклад только сейчас?
Для этого потребовалось одновременное созревание двух факторов: вычислительного и экспериментального. Математические уравнения, описывающие сильное взаимодействие, чрезвычайно сложны. Потребовались десятилетия развития алгоритмов решеточной КХД и появление суперкомпьютеров тера- и эксафлопсного уровня, способных симулировать квантовый вакуум с беспрецедентно малым шагом пространственной сетки.

Означает ли это открытие, что масса протона изменилась?
Нет, сама физическая масса протона осталась неизменной и по-прежнему составляет около 938,27 МэВ. Ученые не изменили протон, а разгадали его внутреннюю «бухгалтерию» — они детально определили, какая именно доля от этой массы генерируется за счет виртуальных странных кварков, что ранее оставалось предметом теоретических споров.

Какое практическое значение имеет знание точной массы протона для обычного человека?
Напрямую в повседневной жизни это открытие ничего не изменит, но оно закладывает фундамент для технологий будущего. Точные знания о КХД необходимы для развития квантовых компьютеров, проектирования новых систем радиационной защиты, совершенствования ядерной медицины (например, протонной лучевой терапии рака) и создания новых принципов безопасной ядерной энергетики.

Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/