By Якими є джерела маси та взаємодії протонів і нейронів? Ми досі не маємо відповіді на це запитання. Однак новий акселератор дозволить заглянути всередину цих часток і знайти розв’язку – пишуть Ебхай Дешпанде і Рікутаро Йошіда у журналі Scientific American.
Видимий всесвіт містить приблизно 1053 кг звичайної матерії, передусім у вигляді 1080 протонів і нейронів, які разом з електронами творять атоми. Звідки ж береться маса протонів і нейронів?
Виявляється, що відповідь є не зовсім простою. Протони й нейрони збудовані з часток, званих кварками, з’єднаних за допомогою глюонів. Глюони – це частки без маси, а сума маси кварків всередині протона чи нейрона (званих разом нуклеонами) становить неповний 1% від загальної маси нуклеону. То звідки ж береться решта маси?
Це не єдина таємниця цих базових складників атома. Ми так само не можемо з’ясувати походження заряду нуклеону – його не вдається пояснити за допомогою заряду кварків. Наразі науковці вважають, що заряд, маса та інші властивості нуклеону – це результат складного впливу кварків і глюонів, точний механізм якого ніхто не знає. Цей вплив описують за допомогою теорії квантової хромодинаміки (QCD – quantum chromodynamics), яка веде до настільки складних розрахунків, що зараз ми не можемо базувати на ній якихось вагомих висновків.
Щоб зробити крок вперед, нам потрібні нові експериментальні дані. Це завдання для електронно-іонного колайдера (EIC – Electron-Ion Collider). На відміну від інших пристроїв для розбивання часток, таких як Великий адронний колайдер (LHC), розташований в CERN коло Женеви, чи Релятивістичний колайдер важких іонів (RHIC), що в Сполучених Штатах, у яких спостерігається зіткнення складних часток, як-от протони й іони, в ЕІС ми будемо досліджувати зіткнення електронів, які не мають внутрішньої структури, з протонами й нейронами. Ми сподіваємося, що завдяки цьому система виконає функцію мікроскопу, який уперше дозволить побачити внутрішню структуру нуклеонів.
EIC очолює список пріоритетів ядерних дослідників в Сполучених Штатах. Якщо проект його побудови буде остаточно схвалений, то колайдер з’явиться у одній з двох американських лабораторій – Brookhaven National Laboratory на острові Лонґ Айленд чи у Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab), що у Ньюпорт-Ньюс у Вірджинії, – і почне працювати приблизно у 2030 році. Цей пристрій дозволить досліджувати, як маси й заряди окремих кварків і глюонів співдіють з енергією їхнього колективного руху, надаючи показники маси і заряду протону та нейрону, за якими ведеться спостереження. Колайдер допоможе знайти відповіді також на інші питання, наприклад, чи кварки і глюони всередині нуклеонів поєднуються в групи, чи, можливо, вони розташовані рівномірно, наскільки швидко вони рухаються і як їхня взаємодія впливає на пов’язування нуклеонів у ядрі. EIC повинен надати безцінну інформацію про те, як взаємодіють між собою основні складники матерії, творячи видимий Всесвіт. За 50 років від відкриття кварків ми стоїмо на порозі розв’язання цих таємниць.
