Binnen elk proton of neutron zijn er drie quarks gebonden door gluonen. Tot nu, er is vaak aangenomen dat twee van hen een "stabiel" paar vormen dat bekend staat als een diquark. Het lijkt, echter, dat het het einde van de weg is voor de diquarks in de natuurkunde. Dit is een van de conclusies van het nieuwe model van proton-proton- of proton-kernbotsingen, die rekening houdt met de interacties van gluonen met de zee van virtuele quarks en antiquarks.

in de natuurkunde, de opkomst van een nieuw theoretisch model voorspelt vaak slecht voor oude concepten. Dit is ook het geval bij de beschrijving van botsingen van protonen met protonen of atoomkernen, voorgesteld door wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau. In het nieuwste model, een belangrijke rol wordt gespeeld door interacties van gluonen uitgezonden door één proton met de zee van virtuele quarks en antiquarks, verschijnen en verdwijnen in een ander proton of neutron.

Gluonen zijn dragers van de sterke kracht, een van de vier fundamentele natuurkrachten. Dit bindt quarks in composietstructuren, zoals protonen of neutronen. In veel opzichten, de sterke kracht verschilt van de anderen. Bijvoorbeeld, het verzwakt niet, maar groeit met de afstand tussen de deeltjes. Bovendien, in tegenstelling tot fotonen, gluonen dragen een specifiek soort lading (schilderachtig bekend als kleur) en kunnen met elkaar interageren.

De meeste kernreacties - inclusief het grootste deel van de botsingen van protonen met protonen of atoomkernen - zijn processen waarbij deeltjes alleen 'tegen elkaar aan schuren' door gluonen uit te wisselen. Botsingen van dit type worden door natuurkundigen "zacht" genoemd en veroorzaken problemen, omdat de theorie die ze beschrijft niet te berekenen is vanuit de eerste beginselen. Dus, door noodzaak, alle hedendaagse modellen van zachte processen zijn min of meer fenomenologisch.

"In het begin, we wilden alleen zien hoe de bestaande tool, bekend als het dual parton-model, behandelt nauwkeurigere experimentele gegevens over proton-proton- en proton-koolstofkernbotsingen, " herinnert prof. Marek Jezabek (IFJ PAN) zich. "Al snel bleek dat het niet goed ging. Dus we besloten, op basis van het oude model dat al meer dan vier decennia in ontwikkeling is, om te proberen iets te creëren dat aan de ene kant nauwkeuriger was, en anderzijds dichter bij de aard van de beschreven verschijnselen."

Het gluonuitwisselingsmodel (GEM) gebouwd bij IFJ PAN is ook fenomenologisch. Echter, het is niet gebaseerd op analogieën met andere fysieke verschijnselen, maar direct op het bestaan ​​van quarks en gluonen en hun fundamentele eigenschappen. Bovendien, GEM houdt rekening met het bestaan ​​in protonen en neutronen van niet alleen tripletten van de belangrijkste (valentie) quarks, maar ook de zee van voortdurend opkomende en vernietigende paren virtuele quarks en antiquarks. In aanvulling, het houdt rekening met de beperkingen die voortvloeien uit het principe van behoud van baryonnummers. In vereenvoudigde termen, er staat dat het aantal baryonen (d.w.z. protonen en neutronen) die voor en na de interactie bestaan, moeten ongewijzigd blijven. Omdat elke quark zijn eigen baryonnummer heeft (gelijk aan 1/3), dit principe geeft betrouwbaardere conclusies over wat er gebeurt met de quarks en de gluonen die ertussen worden uitgewisseld.

"GEM heeft ons in staat gesteld om nieuwe scenario's te verkennen van de gang van zaken met protonen en neutronen, " zegt Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN). "Laten we ons voorstellen, bijvoorbeeld, dat tijdens een zachte proton-protonbotsing, een van de protonen zendt een gluon uit, die het andere proton raakt - niet zijn valentie-quark, maar een quark uit de virtuele zee die maar een fractie van een moment bestaat. Wanneer zo'n gluon wordt geabsorbeerd, de zeequark en antiquark die een paar vormen, houden op virtueel te zijn en materialiseren zich in andere deeltjes in specifieke eindtoestanden. Houd er rekening mee dat in dit scenario nieuwe deeltjes worden gevormd ondanks het feit dat de valentie-quarks van een van de protonen onaangeroerd zijn gebleven."

Het gluonmodel van Krakau leidt tot interessante inzichten, waarvan er twee bijzonder opmerkelijk zijn. De eerste betreft de oorsprong van diffractieve protonen, waargenomen bij proton-proton botsingen. Dit zijn snelle protonen die onder kleine hoeken uit de plaats van aanvaring komen. Tot nu, men geloofde dat ze niet konden worden geproduceerd door kleurveranderingsprocessen en dat een ander fysiek mechanisme verantwoordelijk was voor hun productie. Nutsvoorzieningen, het blijkt dat de aanwezigheid van diffractieve protonen verklaard kan worden door de interactie van het door het ene proton uitgezonden gluon met de zee-quarks van een ander proton.

Een andere observatie is ook interessant. De eerdere beschrijving van zachte botsingen ging ervan uit dat twee van de drie valentie-quarks van een proton of een neutron aan elkaar zijn gebonden zodat ze een "molecuul" vormen dat een diquark wordt genoemd. Het bestaan ​​van de diquark was een hypothese waar niet alle natuurkundigen zonder onderscheid voor zouden instaan, maar het concept werd veel gebruikt - iets dat nu waarschijnlijk zal veranderen. Het GEM-model werd geconfronteerd met experimentele gegevens die een situatie beschrijven waarin een proton botst met een koolstofkern en onderweg interageert met twee of meer protonen/neutronen. Het bleek dat om consistent te zijn met de metingen, onder het nieuwe model, het uiteenvallen van de diquark moet in minstens de helft van de gevallen worden aangenomen.

"Dus, er zijn veel aanwijzingen dat de diquark in een proton of neutron geen sterk gebonden object is. Het kan zijn dat de diquark alleen effectief bestaat als een willekeurige configuratie van twee quarks die een zogenaamd kleuren-antitriplet vormen - en wanneer het maar kan, het valt meteen uiteen, " zegt dr. Rybicki.

Het Cracow-model van gluonuitwisseling verklaart een bredere klasse van fenomenen op een eenvoudiger en coherentere manier dan de bestaande instrumenten voor de beschrijving van zachte botsingen. De huidige resultaten, gepresenteerd in een artikel gepubliceerd in Natuurkunde Letters B , interessante implicaties hebben voor materie-antimaterie annihilatieverschijnselen, waarin een antiproton kan annihileren op meer dan één proton/neutron in de atoomkern. Daarom, de auteurs hebben al eerst geformuleerd, voorlopige voorstellen om nieuwe metingen bij CERN uit te voeren met een antiprotonenbundel.