Οι πυρηνικοί επιστήμονες έχουν επιβεβαιώσει ότι η παρούσα περιγραφή της δομής του πρωτονίου δεν είναι τέλεια. Υπήρξε μια άνοδος στα δεδομένα στους ανιχνευτές της δομής του πρωτονίου, σύμφωνα με νέα μέτρηση ακριβείας της ηλεκτρικής πόλωσης του πρωτονίου στο Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Μέτρηση ακριβείας του τρόπου με τον οποίο η δομή ενός πρωτονίου παραμορφώνεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο αποκάλυψε νέες λεπτομέρειες σχετικά με μια ανεξήγητη ακίδα στα δεδομένα πρωτονίων. Τα μεγέθη της ηλεκτρικής πόλωσης του πρωτονίου αποκαλύπτουν πόσο ευαίσθητο είναι το πρωτόνιο είναι η παραμόρφωση, ή το τέντωμα, σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Επιβεβαίωσε επίσης την παρουσία της ανωμαλίας και έθεσε ερωτήματα σχετικά με την προέλευσή της.
Επιπλέον, μια ακριβής εκτίμηση της ηλεκτρικής πόλωσης του πρωτονίου μπορεί να βοηθήσει στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ των διαφόρων εξηγήσεων του πρωτονίου. Ένα πρωτόνιο μπορεί να φαίνεται σαν ένα μόνο αδιαφανές σωματίδιο ή ένα σύνθετο σωματίδιο που αποτελείται από τρία κουάρκ συγκρατείται από μια ισχυρή δύναμη, ανάλογα με τον τρόπο ανίχνευσης.
Ο Ruonan Li, ο πρώτος συγγραφέας της νέας εργασίας και μεταπτυχιακός φοιτητής στο Temple University, είπε: «Θέλουμε να κατανοήσουμε την υποδομή του πρωτονίου. Και μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα μοντέλο με τρία ισορροπημένα κουάρκ στη μέση. Τώρα, βάλτε το πρωτόνιο στο ηλεκτρικό πεδίο. Τα κουάρκ έχουν θετικά ή αρνητικά φορτία. Θα κινηθούν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Έτσι, η ηλεκτρική πολικότητα αντανακλά πόσο εύκολα ηλεκτρικό πεδίο θα παραμορφώσει το πρωτόνιο».
Οι πυρηνικοί επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική γνωστή ως εικονική σκέδαση Compton για να εξετάσουν αυτήν την παραμόρφωση. Ξεκινά με μια σχολαστικά ρυθμισμένη δέσμη ισχυρών ηλεκτρονίων από την εγκατάσταση επιταχυντή συνεχούς δέσμης ηλεκτρονίων του Jefferson Lab. Τα ηλεκτρόνια στέλνονται συντρίβοντας σε πρωτόνια.
Στην εικονική σκέδαση Compton, τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια εκπέμποντας ένα ενεργητικό φωτόνιο ή ένα σωματίδιο φωτός. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου καθορίζει την ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπει, η οποία καθορίζει επίσης πώς το φωτόνιο αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια.
Ενώ περισσότερα ενεργητικά φωτόνια θα εκτοξευθούν μέσα στο πρωτόνιο για να εμπλακούν με ένα από αυτά κουάρκ, φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας μπορεί να αναπηδήσουν από την επιφάνεια του πρωτονίου. Σύμφωνα με τη θεωρία, μια ομαλή καμπύλη θα εμφανιστεί όταν αυτές οι αλληλεπιδράσεις φωτονίου-κουάρκ σχεδιαστούν από χαμηλότερες σε υψηλότερες ενέργειες.
Ο Νίκος Σπαρβέρης, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Temple και εκπρόσωπος του πειράματος, είπε ότι αυτή η απλή εικόνα δεν άντεξε για έλεγχο. Αντίθετα, οι μετρήσεις αποκάλυψαν ένα ανεξήγητο χτύπημα.
«Βλέπουμε ότι υπάρχει κάποια τοπική ενίσχυση στο μέγεθος της πόλωσης. Η πολωσιμότητα μειώνεται καθώς αυξάνεται η ενέργεια, όπως αναμενόταν. Και, κάποια στιγμή, φαίνεται να ανεβαίνει προσωρινά ξανά πριν πέσει. Με βάση την τρέχουσα θεωρητική μας κατανόηση, θα πρέπει να ακολουθεί μια πολύ απλή συμπεριφορά. Βλέπουμε κάτι που αποκλίνει από αυτή την απλή συμπεριφορά. Και αυτό είναι το γεγονός που μας προβληματίζει αυτή τη στιγμή».
«Η θεωρία προβλέπει ότι τα πιο ενεργητικά ηλεκτρόνια διερευνούν πιο άμεσα την ισχυρή δύναμη καθώς συνδέει τα κουάρκ μεταξύ τους για να δημιουργήσουν το πρωτόνιο. Αυτή η παράξενη αιχμή της ακαμψίας που οι πυρηνικοί φυσικοί έχουν τώρα επιβεβαιώσει στα κουάρκ του πρωτονίου σηματοδοτεί ότι μια άγνωστη όψη της ισχυρής δύναμης μπορεί να λειτουργεί».
«Υπάρχει κάτι που μας λείπει σε αυτό το σημείο. Το πρωτόνιο είναι το μόνο σύνθετο δομικό στοιχείο στη φύση που είναι σταθερό. Έτσι, αν χάνουμε κάτι θεμελιώδες εκεί, αυτό έχει επιπτώσεις ή συνέπειες για όλη τη φυσική».
Οι φυσικοί είπαν, «Το επόμενο βήμα είναι να ξεκαθαρίσουμε περαιτέρω τις λεπτομέρειες αυτής της ανωμαλίας και να πραγματοποιήσουμε ανιχνευτές ακριβείας για να ελέγξουμε για άλλα σημεία απόκλισης και να παράσχουμε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την πηγή της ανωμαλίας».
Σπαρβέρης είπε, «Πρέπει επίσης να μετρήσουμε ακριβώς το σχήμα αυτής της βελτίωσης. Το σχήμα είναι σημαντικό για να διευκρινιστεί περαιτέρω η θεωρία».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Li, R., Sparveris, Ν., Atac, Η. et αϊ. Η μετρημένη ηλεκτρομαγνητική δομή πρωτονίων αποκλίνει από τις θεωρητικές προβλέψεις. Φύση (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1
