Кварки остаются фундаментальными: новые данные с БАК не выявили внутренней структуры

Человечество прошло долгий путь в понимании устройства материи — от открытия микробов и молекул до атомов, атомных ядер и, наконец, кварков. Эти мельчайшие частицы долгое время считались фундаментальными и неделимыми на основе многочисленных экспериментальных данных. Однако в научном сообществе существовали и теории, предполагающие, что внутри кварков могут скрываться еще более мелкие структуры, которые современные методы измерения просто не способны обнаружить.

На Большом адронном коллайдере ученые разгоняют частицы до высоких скоростей и сталкивают их, чтобы изучать фундаментальные свойства материи. Детектор CMS (Компактный мюонный соленоид) регистрирует последствия этих высокоэнергетических столкновений, предоставляя данные для анализа структуры вещества. Когда два пучка протонов сталкиваются внутри детектора, они распадаются на кварки, которые образуют потоки частиц.

Экспериментальные результаты

Исследователи коллаборации CMS проанализировали углы рассеяния между кварками, образовавшимися в результате столкновений. Распределение этих углов полностью соответствовало теоретической модели, в которой кварки существуют как цельные, несоставные частицы. Это важное наблюдение стало ключевым аргументом в пользу их фундаментальной природы на текущем этапе исследований.

Ученые исследовали кварки до масштаба 10⁻²⁰ метров — невероятно малой величины, сравнимой с размерами самих кварков, которые оцениваются примерно в 10⁻¹⁹ метров. Если бы кварки были составными частицами, составляющие их объекты не могли бы превышать размер в 10⁻²⁰ метров. Поскольку такое пространство для поиска оказалось чрезвычайно узким, это значительно ограничивает возможности обнаружения внутренней структуры.

Ограничения и перспективы

Физики также вычислили энергетический масштаб, на котором могло бы существовать неизвестное внутреннее взаимодействие, способное проявить композитность кварков. Оказалось, что если такое взаимодействие действительно существует, его энергия должна превышать 37 тераэлектронвольт — это в три раза выше энергий столкновений, достигнутых на БАК в настоящее время.

Важно отметить, что ученые не могут с абсолютной уверенностью утверждать, что внутри кварков ничего нет. Поиск продолжается, и потенциальные более мелкие структуры могут быть обнаружены при более высоких энергиях столкновения в будущих циклах работы Большого адронного коллайдера. Текст исследования доступен на сервисе arXiv и на официальном сайте коллаборации CMS.

Эти результаты укрепляют текущее понимание кварков как фундаментальных частиц, но оставляют дверь открытой для будущих открытий. Наука продолжает исследовать границы познаваемого, и каждый эксперимент на БАК приближает нас к более глубокому пониманию устройства Вселенной на самом фундаментальном уровне.