Все известные атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, однако мы ещё многого не знаем об этих вездесущих частицах.
Нейтрон, будучи частицей незаряженной, не даётся учёным — ведь измерить его сложно даже спустя 90 лет после открытия. В частности, никто не знает его точный размер и время жизни.
Однако известно, что нейтрон состоит из трех кварков, которые внутри него удерживаются глюонами. Для описания такой динамичной структуры нейтрона физики используют так называемые электромагнитные форм-факторы — среднее распределение электрического заряда и намагниченности внутри нейтрона. К счастью, форм-фактор можно определить экспериментально.
Один форм-фактор, измеренный на определенном энергетическом уровне, почти ничего не скажет. Именно поэтому учёные измеряют форм-факторы при различных энергиях, а в некоторых диапазонах энергий эксперименты по электронно-протонному рассеянию даже будут давать относительно точный результат.
Чтобы добиться такой же точности при других энергиях, необходимы другие методы, предполагающие взаимное уничтожение материи и антиматерии — так называемые аннигиляционные методы. А значит, физикам нужны античастицы для проведения такого эксперимента. Для этого учёные использовали Пекинский электрон-позитронный коллайдер II, в котором электроны и позитроны — их положительные античастицы — сталкиваются и уничтожают друг друга, создавая новые пары частиц.
Используя детектор BESIII, исследователи наблюдали те случаи, в которых электроны и позитроны после аннигиляции создавали нейтроны и антинейтроны при столкновении. Аннигиляционные эксперименты всегда крайне непросты, да и метод обнаружения нейтрона пришлось практически заново изобретать — тем не менее, всё вышло.
Что же узнали учёные? Измерения показали физикам, что прямой линейной зависимости от энергии не наблюдается — напротив, картина была осциллирующей, а флуктуации уменьшались по мере увеличения уровня энергии. Подобное поведение уже наблюдалось у протона, а значит, нуклоны не имеют простой структуры.
Статья опубликована в журнале Nature Physics.
