текст
Физики-теоретики СПбГУ предложили инновационный подход к оценке массы протонов и нейтронов
Ученые Санкт-Петербургского университета создали новую модель для расчета массы нуклонов (протонов и нейтронов), основанную на установлении формальной аналогии между сильными взаимодействиями в квантовой хромодинамике и теорией поляронов в физике конденсированного состояния.
Почти 99% массы обычного вещества во Вселенной сосредоточена в атомных ядрах. Их главными составными частицами являются протон и нейтрон, однако ученые до сих пор не могут рассчитать величину массы этих частиц. Известно, что они состоят из кварков, сумма масс которых составляет лишь около 1% от общей массы частицы. Остальная часть приходится на энергию взаимодействия кварков между собой.
По современным представлениям, данные взаимодействия должны описываться квантовой теорией поля, но уже более 60 лет ученым не удается объяснить это число с помощью теории. Таким образом, сегодня в физической науке нет общепринятого объяснения для происхождения почти 99% массы наблюдаемого вещества во Вселенной.
Исследователи Санкт-Петербургского университета предложили новый подход к решению проблемы, стоящий на стыке двух разных направлений — физики твердого тела и физики элементарных частиц. По словам ученых СПбГУ, электроны, движущиеся в ионных кристаллах, интенсивно взаимодействуют с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, в итоге их эффективная масса (которую можно напрямую измерить) увеличивается во много раз. Такой утяжеленный электрон, одетый «облаком» взаимодействий, называется поляроном.
«Мы предположили, что сходный механизм может действовать и для кварков внутри протонов и нейтронов, что могло бы объяснить массу последних и помочь разгадать загадку массы почти всего наблюдаемого вещества», — объяснил профессор кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Сергей Афонин.
Как отметил физик СПбГУ, если в уравнении из теории полярона использовать значения параметров из физики кварковых взаимодействий, то масса нейтрона, которая почти равна массе протона, воспроизводится с большой точностью. То есть процесс утяжеления кварка внутри протона или нейтрона, по-видимому, может быть похож на аналогичный процесс для электрона в ионном кристалле. Таким образом, хорошо разработанную теорию поляронов можно применять для описания некоторых важных аспектов того, что происходит в квантовой хромодинамике.
Модель, разработанная учеными СПбГУ, успешно описывает и ряд других важных характеристик внутриядерных взаимодействий, в частности так называемый пион-нуклонный сигма-член, который показывает, чему была бы равна масса протона или нейтрона без эффекта утяжеления кварков внутри них.
Предложенная модель предполагает новый взгляд на физическую картину протона и нейтрона. В стандартной картине они состоят из трех валентных кварков двух сортов, называемых u- и d-кварками, и «облака» из силового глюонного поля и разных виртуальных частиц. Кварковый состав протона — uud, нейтрона — ddu. В новой интерпретации протон изначально состоит из одного u-кварка, а нейтрон — из одного d-кварка, которые и являются динамическими аналогами электрона внутри полярона. Другие же два валентных кварка — пару ud — нужно считать частью «облака», которое определяет итоговые квантовые числа системы.
В рамках исследования был разработан своеобразный «словарь» перевода терминов и явлений из хорошо изученной физики поляронов в физику сильных взаимодействий между кварками, в которой ключевые аспекты не поддаются аналитическому описанию исходя из фундаментальной теории сильных взаимодействий.
Соавтором исследования стал выдающийся физик, выпускник ЛГУ, профессор СПбГУ и ученик одного из основателей квантовой механики в целом и отдела теоретической физики при физическом факультете Ленинградского университета Владимира Фока Александр Тулуб.
Для информации
Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ создана 64 года назад. Ядерщики Санкт-Петербургского университета имеют устойчивые научные связи с исследователями и научными центрами не только в России, но и за рубежом. Работы ученых СПбГУ публикуются в ведущих мировых научных журналах и цитируются в мировой научной периодике.
Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ создана 64 года назад. Ядерщики Санкт-Петербургского университета имеют устойчивые научные связи с исследователями и научными центрами не только в России, но и за рубежом. Работы ученых СПбГУ публикуются в ведущих мировых научных журналах и цитируются в мировой научной периодике.
О результатах исследования рассказали на юбилейной, 75-й международной конференции «ЯДРО-2025» в СПбГУ, они также опубликованы в научном журнале The European Physical Journal C.
фото: freepik, freepik.com
Наука
Машины и Механизмы
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
В СПб ФИЦ РАН разработали цифровой инструмент для защиты от киберугроз на промышленных предприятиях
