Nuklearwissenschaftler haben bestätigt, dass die gegenwärtige Beschreibung der Protonenstruktur nicht perfekt ist. Laut einer neuen Präzisionsmessung der elektrischen Polarisierbarkeit des Protons hat es einen Anstieg der Daten in Sonden zur Struktur des Protons gegeben Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums.
Präzise Messung, wie sich die Struktur eines Protons in einem verformt elektrisches Feld hat neue Details über einen unerklärlichen Anstieg der Protonendaten enthüllt. Die Größen der elektrischen Polarisierbarkeit des Protons verraten, wie anfällig das ist Proton ist die Verformung oder Dehnung in einem elektrischen Feld. Es bestätigte auch das Vorhandensein der Anomalie und warf Fragen zu ihrem Ursprung auf.
Darüber hinaus kann eine genaue Bestimmung der elektrischen Polarisierbarkeit des Protons dazu beitragen, die Lücke zwischen den verschiedenen Erklärungen des Protons zu schließen. Ein Proton kann wie ein einzelnes undurchsichtiges Teilchen oder ein zusammengesetztes Teilchen erscheinen, das aus besteht drei Quarks durch eine starke Kraft zusammengehalten, je nachdem, wie sie untersucht wird.
Ruonan Li, der Erstautor des neuen Artikels und Doktorand an der Temple University, sagte: „Wir wollen die Substruktur des Protons verstehen. Und wir können es uns vorstellen wie ein Modell mit drei balancierten Quarks in der Mitte. Bringen Sie nun das Proton in das elektrische Feld. Die Quarks haben positive oder negative Ladungen. Sie werden sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die elektrische Polarisierbarkeit spiegelt also wider, wie leicht die elektrisches Feld wird das Proton verzerren.“
Nuklearwissenschaftler verwendeten eine Technik, die als virtuelle Compton-Streuung bekannt ist, um diese Verzerrung zu untersuchen. Es beginnt mit einem akribisch regulierten Strahl leistungsstarker Elektronen aus der Continuous Electron Beam Accelerator Facility von Jefferson Lab. Die Elektronen werden in Protonen zerschmettert.
Bei der virtuellen Compton-Streuung interagieren Elektronen mit anderen Teilchen, indem sie ein energiereiches Photon oder Lichtteilchen emittieren. Die Energie des Elektrons bestimmt die Energie des Photons, das es aussendet, was auch bestimmt, wie das Photon mit anderen Teilchen interagiert.
Während energiereichere Photonen in das Proton schießen, um sich mit einem seiner zu beschäftigen Quarks, können Photonen mit niedrigerer Energie von der Oberfläche des Protons abprallen. Der Theorie zufolge wird eine glatte Kurve erscheinen, wenn diese Photon-Quark-Wechselwirkungen von niedrigeren zu höheren Energien aufgetragen werden.
Nikos Sparveris, außerordentlicher Professor für Physik an der Temple University und Sprecher des Experiments, sagte, dieses einfache Bild halte einer Überprüfung nicht stand. Die Messungen zeigten stattdessen eine noch ungeklärte Beule.
„Wir sehen, dass es eine gewisse lokale Verstärkung der Größe der Polarisierbarkeit gibt. Die Polarisierbarkeit nimmt erwartungsgemäß mit zunehmender Energie ab. Und irgendwann scheint es vorübergehend wieder aufzusteigen, bevor es wieder abfällt. Basierend auf unserem aktuellen theoretischen Verständnis sollte es einem sehr einfachen Verhalten folgen. Wir sehen etwas, das von diesem einfachen Verhalten abweicht. Und das ist es, was uns im Moment rätselhaft macht.“
„Die Theorie sagt voraus, dass die energiereicheren Elektronen die starke Kraft direkter untersuchen, wenn sie die Quarks zusammenbindet, um das Proton zu bilden. Dieser seltsame Anstieg der Steifheit, den Kernphysiker jetzt in den Quarks des Protons bestätigt haben, signalisiert, dass eine unbekannte Facette der starken Kraft am Werk sein könnte.“
„Es gibt etwas, das wir an dieser Stelle vermissen. Das Proton ist der einzige zusammengesetzte Baustein in der Natur, der stabil ist. Wenn uns dort also etwas Grundlegendes fehlt, hat das Implikationen oder Konsequenzen für die gesamte Physik.“
Physiker sagten, „Der nächste Schritt besteht darin, die Details dieser Anomalie weiter herauszuarbeiten und Präzisionssonden durchzuführen, um nach anderen Abweichungspunkten zu suchen und mehr Informationen über die Quelle der Anomalie zu erhalten.“
Sparveris sagte, „Wir müssen auch die Form dieser Erweiterung genau messen. Die Form ist wichtig, um die Theorie weiter zu verdeutlichen.“
Journal Referenz:
- Li, R., Sparveris, N., Atac, H. et al. Gemessene elektromagnetische Protonenstruktur weicht von theoretischen Vorhersagen ab. Natur (2022). zurück 10.1038/s41586-022-05248-1
