Не каждый день ученым удается снизить неточность значения какой-нибудь из фундаментальных констант с 30% сразу до 1,5%. Но команде теоретиков это удалось: масса верхних и нижних кварков, составляющих протоны и нейтроны, уточнена сразу в 20 раз.
С точностью до кварка: Уточнение массы
Протон и нейтрон представляют собой сложную комбинацию кварков (синие), антикварков (зеленые) и глюонов (спирали)

Разумеется, заявление авторов работы весьма амбициозно, и их коллегам еще предстоит внимательнее ознакомиться с их результатами с тем, чтобы самим удостовериться в справедливости сделанных выводов. Однако шум среди специалистов поднялся немалый.

Еще с конца 1960-х стало известным, что протоны и нейтроны не являются самыми мелкими кирпичиками материи, а сами состоят из кварков, которые удерживаются вместе т.н. сильными взаимодействиями. Однако измерить массу кварков в силу разных причин не удается, хотя теоретики вычисляют ее с помощью довольно изощренных моделей. Причина проста: сильные взаимодействия настолько мощны, что изолировать отдельный кварк и изучить его просто невозможно.

Словно чтобы еще более запутать ситуацию, протоны и нейтроны состоят из разных кварков. Протоны включают пару верхних и один нижний кварк, а нейтроны — пару нижних и один верхний. Картину усложняет и тот факт, что сильное взаимодействие само по себе является процессом обмена кварками другими частицами, глюонами. Вдобавок, и глюонами обмениваются друг с другом и сами глюоны. Прибавьте сюда еще и бесконечный процесс появления и аннигиляции пар виртуальных частиц кварков и антикварков — и вы поймете, как непроста задача. Протон, до какого-то момента казавшийся «твердым неделимым шариком» оказывается кипящим бульоном субатомных частиц, причем три «изначальных» кварка отвечают лишь не более чем за 2% его массы.

Несмотря на все эти сложности, благодаря теории квантовой хромодинамики и мощи современных суперкомпьютеров ученым сегодня удается со все большей достоверностью моделировать жизнь протонов и нейтронов (собирательно эти частицы зовутся адронами). При этом внутренность отдельного адрона для целей моделирования рассматривается, как решетка, состоящая из трехмерного массива точек. Для упрощения применяется и другой прием, который состоит в рассмотрении, как дискретного явления, не только пространства (не в виде непрерывной последовательности, а как узлы решетки), но и времени. Это позволяет существенно облегчить математический аппарат: ученые располагают частицы в пределах адрона в узлах воображаемой решетки и шаг за шагом моделируют их поведение.

По мере совершенствования математического аппарата и роста вычислительных мощностей решетка становится все более «мелкоячеистой», все более приближаясь к описанию реальной частицы. В таких вычислениях массы разных кварков выступают в качестве входных данных, которые каждый раз слегка корректируются, в зависимости от нужд модели и использованных математических подходов. При этом значения этих параметров остаются известными лишь с высокой степенью неточности.

Но вот группа британских и американских физиков-теоретиков во главе с Кристин Дэвис (Christine Davies) подошла к вопросу с совершенно другой стороны. Они решили пойти тем же путем, но в обратном направлении, но при этом постараться получить не массы отдельных кварков, а максимальное точное отношение этих масс.

Отношения эти дают куда меньшую величину неопределенности. А если добавить сюда массу одного из кварков (очарованного), которая примерно в 500 раз больше, чем у остальных и вычислена на сегодня с большей точностью, то можно получить и величины масс остальных кварков. По данным Дэвис и ее коллег, масса верхнего кварка составляет 2,01 (+/- 0,14) МэВ, а нижнего — 4,79 (+/- 0,16) МэВ. Соответственно, они составляют 0,214% и 0,510% массы протона.

Читайте также о недавнем обнаружении новой субатомной частицы — «Прелестная и дважды странная».

По публикации ScienceNOW