Эксперимент на Большом адронном коллайдере подтвердил неделимость кварков

На Большом адронном коллайдере (БАК) провели глубокое исследование кварков в поисках в них возможных строительных блоков. Результаты готовятся к публикации в журнале Physics Letters B.

Согласно современным представлениям об устройстве Вселенной, кварки — это фундаментальные, точечные частицы. Они выступают базовыми «кирпичиками» материи, которые уже ни на что не делятся. Ученые коллаборации CMS проверили это, изучив кварки вплоть до масштаба 10⁻²⁰ метров.

На таком масштабе признаки составных частей не обнаружены. Однако в истории науки немало примеров, когда то, что считалось неделимым, раскрывало глубины своего внутреннего устройства. Сначала выяснили, что материя состоит из молекул, затем — что молекулы строятся из атомов, а те, в свою очередь, представляют собой плотное ядро, окруженное облаком электронов.

Резерфорд открыл атомное ядро, направив пучок ядер гелия на золотую фольгу-мишень. Эти ядра рассеивались на атомах золота под разными углами, которые и измерял знаменитый физик. Изучив распределение углов рассеяния, он смог доказать, что в центре атома находится точечное ядро. Этот успех стал возможен потому, что пучок гелия в его установке обладал достаточной энергией, чтобы заглянуть внутрь атома.

Позже было показано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, а те, в свою очередь, — из кварков. Эксперименты на БАК, включая установку CMS, продолжают это направление исследований. Сталкивая частицы при колоссальных энергиях, ученые пытаются заглянуть внутрь кварков и выяснить, есть ли у них структура.

Когда в детекторе CMS сталкиваются два пучка протонов, они разваливаются на составляющие их кварки. Из этих вылетающих кварков образуются диджеты — пары адронных струй. Измеряя их, можно рассчитать угол рассеяния между кварками. Полученное распределение углов рассеяния сравнивают с тем, которое ожидается, исходя из того, что кварки неделимы. Анализ данных второго запуска БАК, проведенный коллаборацией CMS, значимых расхождений не выявил.

Это значит, что если у кварка и есть составные части — они гораздо меньше 10⁻²⁰ метров. А скорее всего, дальше он уже ни на что не делится.

Эта оценка вытекает из ограничений на энергетический масштаб, при котором могла бы проявиться «составная природа» кварка. Для эталонной модели из недавней статьи CMS, полагающей кварки составными, полученные результаты установили самый строгий на сегодня предел — 37 ТэВ.

Как и в случае с Резерфордом, который смог разглядеть компоненты атома лишь благодаря тому, что его пучок частиц имел достаточно энергии, изучение столкновений частиц при более высоких энергиях может привести к неожиданным открытиям. Третий запуск БАК высокой светимости (после модернизации) даст более точные данные измерения углов рассеяния.

А пока Стандартная модель устояла и никаких предпосылок к появлению новой физики нет.