Чем крут электронно-ионный коллайдер?
Теоретическая физика на месте не стоит — и иногда создаёт очень интересные устройства для проверки своих выводов. Когда в 1956 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Роберт Хофштадтер со своей командой запустили высокоэнергетические электроны в небольшую пробирку с водородом в Стэнфордском центре линейных ускорителей, они открыли дверь в новую эру физики.
Хофштадтер и его команда увидели небольшое отклонение в том, как электроны рассеиваются, или отскакивают, при столкновении с водородом. Это позволило предположить, что в ядре есть нечто большее, чем точечные протоны и нейтроны, которые они себе представляли. Последующие эксперименты, которые проводились по всему миру на ускорителях — установках, разгоняющих частицы до очень высоких энергий, — ознаменовали собой смену парадигмы в нашем понимании материи.
Стало ясно, что частицы, называемые кварками и глюонами, являются фундаментальными строительными блоками материи. Иногда люди представляют, что эти частицы собираются вместе, как конструктор Лего, но кварки и глюоны — это не просто статичные строительные блоки.
Теория, называемая квантовой хромодинамикой, описывает, как сильная сила действует между кварками, опосредованно глюонами, которые являются переносчиками силы. Тем не менее, она не может помочь нам аналитически рассчитать свойства протона:
Чтобы понять протон и силу, которая его связывает, нужно изучить его со всех сторон. Для этого нам нужен ускоритель — наш самый точный инструмент, — говорит Дарья Сохань из The Conversation
Хотя наше понимание материи в этом мельчайшем масштабе достигло большого прогресса за последние 60 лет, остается много загадок, которые сегодняшние инструменты не могут полностью решить. Какова природа удержания кварков внутри адрона? Как масса протона возникает из почти безмассовых кварков, которые в 1 000 раз легче?
Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужен микроскоп, способный в мельчайших подробностях изображать структуру протона и ядра в самом широком диапазоне увеличений и строить трехмерные изображения их структуры и динамики. Именно это и будет делать новый коллайдер.
Электронно-ионный коллайдер (EIC) будет использовать в качестве зонда очень интенсивный пучок электронов, с помощью которого можно будет разрезать протон или ядро и рассмотреть структуру внутри него. Для этого пучок электронов будут сталкивать с пучком протонов и смотреть, как электроны рассеиваются.
Изучая эти процессы, я и другие ученые сможем раскрыть структуру протонов и нейтронов, как она изменяется, когда они связаны сильной силой, и как создаются новые адроны. Мы также сможем выяснить, какая материя состоит из чистых глюонов — то, что еще никогда не наблюдалось.
Хотя может пройти еще 10 лет, прежде чем коллайдер будет полностью спроектирован и построен, это, вероятно, будет стоить затраченных усилий. Понимание структуры протона и фундаментальной силы, которая порождает более 99 процентов видимой массы во Вселенной, является одной из самых больших задач в современной физике. Кто знает, как он может повлиять на нашу жизнь?