Тайны резонирующего протона

Протон — одна из основных частиц, составляющих атомное ядро. Он состоит из трех кварков — элементарных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью сильного ядерного взаимодействия. Протон имеет положительный электрический заряд и массу, немного меньшую, чем у нейтрона — другой нуклонной частицы.


Протон может находиться в разных состояниях энергии, в зависимости от того, как возбуждаются его кварки. Одно из таких состояний называется «нуклонным резонансом» и было обнаружено физиками еще в середине прошлого века. В этом состоянии протон образует сложную структуру, включающую кварк-антикварковую пару — мезон.

Нуклонный резонанс имеет огромное значение для понимания процессов, происходивших в древней Вселенной, когда температура и плотность материи были настолько высоки, что атомные ядра не могли существовать. Однако изучение этого состояния протона представляет большую трудность, так как оно живет очень короткое время — порядка 10^-23 секунды.

Недавно команда физиков из Гиссенского университета имени Юстуса Либиха в Германии и Коннектикутского университета США смогла получить новые данные о трехмерной структуре резонирующего протона с помощью магнитного ускорителя имени Томаса Джефферсона. Ученые использовали метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который позволяет определять структуру молекул по спектрам поглощения электромагнитных волн водородными атомами.

В ходе эксперимента высокоэнергетический электронный пучок был направлен на камеру с охлажденным газообразным водородом. Электроны сталкивались с протонами мишени, возбуждая их кварки и переводя их в состояние нуклонного резонанса. Затем протоны распадались на новые частицы, которые регистрировались детекторами.


— руководитель эксперимента Стефан Диль.

Анализируя данные детекторов, ученые смогли реконструировать трехмерное изображение резонирующего протона и определить его размеры, форму и распределение заряда. Оказалось, что резонирующий протон имеет более сложную и асимметричную структуру, чем спокойный протон.

Его диаметр составляет около 0,9 фемтометра (10^-15 метра), а его заряд сосредоточен в центре и на периферии. Кроме того, ученые обнаружили, что резонирующий протон имеет ненулевой магнитный момент — свойство, которое делает его похожим на маленький магнит.

Вначале в раннем космосе была только плазма, состоящая из кварков и глюонов, которые вращались вокруг, потому что энергия была очень высокой. Затем, в какой-то момент, материя начала формироваться, и первыми вещами, которые образовались, были возбужденные нуклонные состояния. Когда Вселенная расширилась дальше, она остыла, и проявились нуклоны основного состояния.
С помощью этих исследований мы можем узнать о характеристиках этих резонансов. И это расскажет нам кое-что о том, как материя образовалась во Вселенной и почему Вселенная существует в ее нынешнем виде
— Стефан Диль.

Результаты исследования помогут лучше понять, как устроена материя на самом малом уровне и как она ведет себя при экстремальных условиях. Они также открывают новые возможности для изучения других нуклонных резонансов, таких как нейтронный резонанс или дельта-резонанс.