Внутри протона

Попытаемся, основываясь на изложенном материале, «заглянуть» внутрь протона. То, что мы увидим, зависит от пространственного разрешения наблюдательного прибора. Роль такого прибора выполняет довольно сложная и громоздкая установка, основными элементами которой являются, например, ускоритель электронов и система детекторов электронов, рассеянных мишенью, состоящей из протонов (водород). Приведенные ниже картинки внутреннего строения протона, полученные в опытах с разным энергетическим разрешением, не следует понимать слишком буквально, поскольку любые изображения субъядерных объектов весьма условны в силу квантовых эффектов.

Пусть мы исследуем протон, рассеивая на нем электроны. Соответствующая диаграмма Фейнмана показана на рис.10.15.

 

Рис. 10.15

Энергетическое разрешение опыта определяется длиной волны виртуального фотона l=h/q (q - импульс виртуального фотона, т.е. переданный протону импульс). Если изучать рассеяние электронов с энергией »200 МэВ на большие углы (близкие к 180^o), то длина волны виртуального фотона будет »3 фм и протон будет «освещаться» длинноволновым фотонным лучом (рис.10.16а). Поскольку длина волны фотона больше размера протона, последний будет казаться точечным бесструктурным объектом. Рассеяние электрона на таком объекте будет упругим (без изменения внутреннего состояния протона).

Рис. 10.16

Если увеличить переданный протону импульс q, то это будет соответствовать уменьшению длины волны виртуального фотона и повышению разрешающей способности опыта (рис.10.16б). Если довести разрешение (l) до 0.1 размеров протона (0.1 фм), то коротковолновым фотонным лучом будут «освещаться» отдельные составляющие протона - кварки и глюоны. Будет «видно», что протон состоит из трех кварков (в дальнейшем называемых валентными), между которыми «проскакивают» глюоны. Будет видно, как иногда глюон рождает виртуальную кварк-антикварковую пару. Наблюдаемая картина может быть представлена рис.10.17а.

Если еще на порядок повысить разрешение, доведя его до 0.01 фм (это соответствует энергиям современных ускорителей), то мы обнаружим внутри протона значительно более сложную картину (рис.10.17б). Вместо нескольких кварков и глюонов (рис.10.17а) внутри протона будет множество кварк-антикварковых пар и еще большее количество глюонов. В этом «море» виртуальных частиц почти не видны три валентных кварка u, u, d. Виртуальные -пары так и называют «морскими кварками». Итак, в состав протона (и вообще любого адрона) входят:

 

1. Валентные кварки;

2. Морские кварки;

3. Глюоны.

Эти элементарные бесструктурные составляющие адрона объединяют, вслед за Фейнманом, общим термином партоны (от англ. part).

Рис. 10.17. Вид протона при разрешении 0.1 фм (а) и 0.01 фм (б).

При рассеянии электрона (или другого лептона) на нуклоне (или другом адроне) электрон, в случае высокого энергетического разрешения, взаимодействует с нуклоном уже не как с целым бесструктурным объектом, а с его элементарными составляющими - партонами. Переданный нуклону импульс q воспринимается отдельным партоном и внутреннее состояние нуклона меняется - он переходит в возбужденное состояние. Такое рассеяние (являясь упругим на отдельном партоне) уже не является упругим на нуклоне в целом и носит название глубоконеупругого рассеяния, поскольку отвечает передаче больших энергий внутрь нуклона. Эксперименты по глубоконеупругому рассеянию электронов на протонах позволили установить долю импульса (массы) протона, которую несут кварки и глюоны. Так, оказалось, что доли импульса протона, приходящиеся на u-кварки (и антикварки), d-кварки (и антикварки) и глюоны, следующие

e_u = 0.36, e_d = 0.18, e_g = 0.46, (10.28)

причем на долю антикварков приходится около 5% полного импульса (массы) протона (эти данные получены для q»3 ГэВ/с). Таким образом, около 50% массы нуклона приходится на глюоны.

Коснемся вопроса о массах кварков, приведенных в табл. 9.5. Этот вопрос требует уточнения, т.к. кварки не существуют в свободном изолированном состоянии. Массы, указанные в табл.9.5, относятся к «голым» кваркам и не включают энергию глюонного поля, окружающего кварк. Наряду с этим часто приводят массы кварков как составных частиц адронов - так называемых «конституентных» кварков. В этом случае в массу кварка включается «вес шубы» из глюонов и морских кварков, в которую одет валентный кварк. Очевидно масса конституентного кварка больше массы «голого» кварка. Оценка конституентной массы u и d-кварков получается делением массы нуклона на три, что приводит к m_uc²»m_dc²»300 МэВ.