Коллаборация CMS провела глубокое исследование кварков в поисках потенциальных строительных блоков внутри них.

В 1968 году было доказано, что протоны состоят из кварков, но вопрос о том, состоят ли кварки из еще более мелких частиц, до сих пор остается без ответа. Иллюстрация: коллаборация CMS

Согласно нашему современному пониманию Вселенной, кварки — это фундаментальные точечные частицы: основные строительные блоки, не состоящие из более мелких частиц. В недавней статье коллаборации CMS описывается, как они исследовали кварки в масштабе 10^-20 метров, чтобы проверить эту предпосылку.

В этом масштабе не было обнаружено никаких признаков наличия составляющих частиц, но история показывает, что структуры, когда-то считавшиеся фундаментальными, могут раскрывать более глубокие слои: было обнаружено, что материя состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из плотного ядра, окруженного облаком электронов.

Резерфорд обнаружил ядро, направив пучок ядер гелия на мишень из золотой фольги. Эти ядра рассеивались на атомах золота фольги под различными углами, которые затем измерял Резерфорд. Изучая распределение углов рассеяния, он смог доказать, что атомы содержат точечное ядро ​​в центре. Это стало возможным, потому что пучок гелия в экспериментальной установке обладал достаточной энергией, чтобы исследовать внутреннюю структуру атомов.

Было показано, что ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, позже оказались кварками. Эксперименты на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC), включая коллаборацию CMS, продолжают это исследование, сталкивая частицы при чрезвычайно высоких энергиях, чтобы изучить потенциальную внутреннюю структуру кварков.

Когда два пучка протонов сталкиваются внутри CMS, они распадаются на составляющие их кварки. Эти вылетающие кварки образуют два струйных потока — потока частиц, — которые можно измерить и использовать для восстановления угла рассеяния между кварками.

Распределение угла рассеяния между двумя струйными потоками можно сравнить с распределением, которое ожидалось бы, если бы кварк действительно был точечной частицей. Недавние результаты коллаборации CMS, основанные на данных второго запуска LHC, не показали существенного расхождения с распределением рассеяния точечного кварка. Это означает, что кварки вряд ли будут больше 10^-20 метров, если они представляют собой составные структуры.

Эта оценка размера получена из ограничений на энергетическую шкалу, на которой проявляется «составность» кварков. Для эталонной модели из недавней статьи в CMS, которая предполагала, что кварки являются составными, последние результаты установили самый строгий на сегодняшний день предел в 37 ТэВ.

Подобно тому, как Резерфорд смог идентифицировать компоненты атома только потому, что его пучок частиц обладал достаточной энергией, изучение столкновений частиц с более высокими энергиями может помочь нам идентифицировать меньшие потенциальные структуры внутри кварков. Данные третьего цикла работы БАК и предстоящего БАК с высокой светимостью могут помочь уменьшить неопределенность в измерении угла рассеяния, что позволит нам идентифицировать еще меньшие структуры и продолжить поиск мельчайших строительных блоков материи.