Давление внутри протона оказалось вдесятеро больше, чем в нейтронной звезде

Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов в Вселенной. Плотность вещества в них такова, что объем с чайную ложку весит примерно как Луна. Правда взвесить его нельзя. Но, как выясняется, в нашей Вселенной есть зоны куда большего давления, причем их очень много.

Речь идет о протонах — элементарных частицах, из которых, наряду с нейтронами, состоят атомные ядра.

В прошлом году физики из Национального ускорительного центра им. Томаса Джефферсона Министерства энергетики США сумели впервые измерить давление в центре протона, бомбардируя протоны (т. е., конечно, мишень, состоящую из вещества, молекулы которого состояли из атомов, а те — из протонов, нейтронов и электронов) пучками ускоренных электронов. Опыты производились на ускорителе электронов CEBAF. Мы писали о них ранее и это освобождает нас от обязанности подробно описывать тот эксперимент сейчас.

Опыт, о котором идет речь сегодня, обошелся без ускорителей. Целью ученых было получение данных о распределении давления внутри протона, а для этого было необходимо учесть влияние глюонов, из которых, наряду с кварками, состоит эта маленькая частица. Современная аппаратура не позволяет определить это влияние экспериментально, но ученые могут попытаться составить математическую модель, учитывающую все нужное, и рассчитать поведение вещества на современных суперкомпьютерах — а тут нужны очень неплохие вычислительные мощности.

Для расчетов, занявших 18 месяцев, использовались уравнения квантовой хромодинамики, описывающие сильное взаимодействие. Результатом моделирования явилось четкое представление о том, как распределяется давление внутри протона, который, в данном случае, представлялся объектом, имеющим сложную внутреннюю структуру и ненулевые размеры.

Давление в его центре составляет 10³⁵ Па. Это было известно с прошлого года и эта оценка не подверглась существенным изменениям. Но, окружающая этот центр область сравнительно низкого давления оказалась значительно больше, чем казалось ранее.

Для подтверждения расчетов потребуются гораздо более мощные приборы, такие как электрон-ионный коллайдер, предлагаемый ускоритель частиц, который физики планируют использовать для исследования внутренних структур протонов и нейтронов.

«Мы начинаем понимать и количественно оценивать роль глюонов в протоне», — говорит Фиала Шанахан (Phiala Shanahan), доцент физики в MIT и один из авторов исследования. «Объединив экспериментальные измерения роли кварков с нашим новым расчетом влияния глюонов, мы впервые получим картину пространственного распределения давления внутри протона. Это прогноз, который можно будет проверить на новом коллайдере в ближайшие 10 лет».