Физики изучают протон довольно давно, но до сих пор не до конца представляют, как он устроен. Причина этого в том, протон состоит из большого числа кварков, антикварков и глюонов, а сильное взаимодействие, которое отвечает за внутрипротонные процессы, довольно тяжело описывать и сравнивать с опытом.

Мостиком между структурой протона и экспериментом служат его среднеквадратичные радиусы, которые определяются через типы процессов, в которых участвует протон и составляющие его частицы. Выделяют зарядовый, магнитный и массовый радиусы протона. Первые два радиуса связаны с электромагнитным взаимодействием и определяются из экспериментов по рассеянию электронов на протонах. Зарядовый радиус к тому же очень точно научилисьопределять с помощью прецизионной спектроскопии. Массовый же радиус определяет характер гравитационного взаимодействия протона, однако до недавнего времени его экспериментальное значение было неизвестно.

В новой работе группа китайских физиков при участии доктора Ван Жун (Wang Rong) из Института современной физики Китайской академии наук проанализировала данные об импульсной зависимости дифференциального сечения припорогового фоторождения векторных мезонов при облучении протонов высокоэнергетическими фотонами. Процесс интересен тем, что фотоны небольшую часть времени существуют в виде мезонов, которые состоят из пары кварк-антикварк. В таком состоянии фотон может участвовать в сильном взаимодействии, обмениваясь глюонами с протоном. При этом возможна ситуация, когда энергии глюонов достаточно, чтобы фотон навсегда превратился в векторый мезон.

При описании такого процесса структуру протона можно представлять через так называемые гравитационные форм-факторы, которые описывают связь протона с гравитационным полем в зависимости от передаваемого импульса и содержатся в матричных элементах протонного тензора энергии-импульса. Основываясь на модели векторно-мезонного доминирования, в рамках которой главную роль играет процесс превращения фотона в виртуальную кварк-антикварковую пару, а также предполагая дипольный вид гравитационных форм-факторов, авторы показали, что данные по фоторождению мезонов могут быть использованы для определения массового радиуса протона.

Чтобы получить конкретные результаты, физики проанализировали данные с экспериментов по рождению J/ψ-, φ- и ω-мезонов, полученные коллаборациями GlueX, LEPS и SAPHIR, соответственно. Для каждого из трех наборов данных авторы произвели аппроксимацию с помощью модельных форм-факторов, из которых извлекли данные о массовых радиусах. Сравнительный анализ показал, что все три радиуса согласуются в пределах погрешностей, и их совместное значение дает величину, равную 0,67±0,03 фемтометра.

Авторы обращают внимание на тот факт, что массовый радиус оказался меньше, чем зарядовый и магнитный радиусы, что также наблюдалосьв предыдущих экспериментах для пионных радиусов. Поскольку энергетическое распределение связано преимущественно с глюонами, а зарядовое — с кварками, это может свидетельствовать либо о том, что глюоны сконцентрированы в протоне теснее, чем кварки, либо о каких-то аномалиях, вызванных спонтанным нарушением хиральной симметрии.

За последнюю пару десятков лет физики довольно много узнали про протон. Им удалось экспериментально выяснить, из чего складывается спин и масса протона, и даже измерить асимметрию антикварков внутри него.

Фото: Rong Wang et al / Physical Review D, 2021