Программно-консультативный комитет ОИЯИ по физике частиц рассмотрит сегодня, 18 января, концептуальный дизайн второго детектора коллайдера NICA – детектора SPD для изучения спина частиц-макарон.
Концептуальную конструкцию детектора SPD (Spin Physics Detector) представит членам Программно-консультативного комитета (ПКК) начальник отдела Лаборатории ядерных проблем Алексей Гуськов. Он возглавил работу по подготовке эксперимента SPD и созданию международной коллаборации этого эксперимента.
Детектор SPD создается как универсальная установка для всеобъемлющего изучения глюонов в протонах и дейтронах, написано в концепции этого детектора. Звучит сложно.
Однако, давайте посмотрим на символическую картинку (вверху), которая описывает глюоны в протонах и дейтронах, и попробуем разобрать это сложное утверждение на простые части.
Картинка выразительно показывает нам протон в разрезе – то есть его богатый внутренний мир.
Итак, протоны – это ядра водорода, они состоят из кварков и глюонов. Кварки изображены красными, синими и зелеными шариками. Глюоны имеют вид желтых пружинок и напоминают макароны-спирали.
Глюоны склеивают кварки внутри протонов так крепко, что кварки не в состоянии выйти из протонов в свободное от глюонов существование. Сила натяжения пружинных макарон-глюонов между кварками составляет несколько тонн. В энергии глюонов сосредоточена вся масса видимой части Вселенной. А кварки, напротив, – очень легкие.
Кварки и глюоны – самые элементарные из элементарных частиц, у них нет составных частей.
Раньше считалось, что в протоне есть три кварка и больше ничего. Эти кварки изображены на рисунке большими шариками.
Потом выяснилось, что, кроме этих трех кварков, в протоне есть еще сколько-то кварк-антикварковых пар – пары маленьких шариков одного цвета на рисунке. И что все эти кварки – и парные, и непарные – связаны глюонами-макаронами.
Стрелы, которые выходят из шариков-кварков вверх и вниз, обозначают спин кварка. Спин – одна из двух характеристик, которые описывают ориентацию частицы в пространстве, потому что координаты элементарной частицы указать невозможно. (Вторая характеристика – импульс частицы.)
Теперь о дейтронах. Дейтрон – это ядро изотопа водорода-2 (2Н), то есть химический элемент, у которого в ядре столько же протонов, сколько и у водорода-1 (1Н) – ровно один протон. А кроме протона, в ядре водорода-2 содержится еще один нейтрон. Один протон плюс один нейтрон – итого две частицы в ядре водорода-2. Потому и водород-2, а не водород-1. Водород-2 назвали дейтерий, от греческого слова «дейтерос» – второй.
Есть, кстати, еще и водород-3. Почему он водород-3, догадались? Ну да, к протону водорода-1 добавились два нейтрона, и получилось ядро из трех частиц – ядро водорода-3. Этот водород-3 так и навали: тритий, от греческого слова «тритос» – третий.
А теперь о спине. Это понятие ввели в науку еще в 20-е годы прошлого века. Но до сих пор оно остается во многом загадочным. Спин по определению описывает вращательные характеристики частицы или системы частиц. Но это не означает, что частица действительно вращается в общепринятом смысле. Ее вращение – как бы воображаемое, оно существует в виде свойства частицы, которое для стройности и логичности физической теории удобно описать математически как вращение частицы вокруг собственной оси. Но это воображаемое вращение влияет на взаимодействие частиц, как будто они действительно вращаются. А все знают, что закрученный теннисный или волейбольный мяч летит туда, где его могут совсем не ждать. С частицами – то же самое. Поэтому так важно разобраться в свойствах спина элементарных частиц – от него зависит то, чего мы еще даже не знаем.
И вот детектор SPD – детектор спиновой физики – как раз и займется изучением того, чего мы не знаем о загадочном спине загадочных глюонов-макаронов в ядрах самых простых химических элементов – водорода и его изотопа дейтерия. Эксперимент SPD выяснит, как распределен спин и импульс глюонов, которые несут в себе массу всей видимой Вселенной.
Как будет устроен внутри детектор SPD, поговорим в следующий раз.