Μέσα στο πρωτόνιο, το «πιο περίπλοκο πράγμα που θα μπορούσατε να φανταστείτε»

Περισσότερο από έναν αιώνα αφότου ο Ernest Rutherford ανακάλυψε το θετικά φορτισμένο σωματίδιο στην καρδιά κάθε ατόμου, οι φυσικοί εξακολουθούν να αγωνίζονται να κατανοήσουν πλήρως το πρωτόνιο.

Οι καθηγητές φυσικής του γυμνασίου τα περιγράφουν ως άχαρες μπάλες με μία μονάδα θετικού ηλεκτρικού φορτίου η καθεμία - τα τέλεια φύλλα για τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που βουίζουν γύρω τους. Οι φοιτητές μαθαίνουν ότι η μπάλα είναι στην πραγματικότητα μια δέσμη τριών στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ. Όμως, δεκαετίες έρευνας έχουν αποκαλύψει μια βαθύτερη αλήθεια, μια αλήθεια που είναι πολύ περίεργη για να την αποτυπώσεις πλήρως με λέξεις ή εικόνες.

«Αυτό είναι το πιο περίπλοκο πράγμα που θα μπορούσατε να φανταστείτε», είπε Mike Williams, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. «Στην πραγματικότητα, δεν μπορείτε καν να φανταστείτε πόσο περίπλοκο είναι».

Το πρωτόνιο είναι ένα κβαντομηχανικό αντικείμενο που υπάρχει ως ομίχλη πιθανοτήτων έως ότου ένα πείραμα το αναγκάσει να πάρει συγκεκριμένη μορφή. Και οι μορφές του διαφέρουν δραστικά ανάλογα με το πώς οι ερευνητές έστησαν το πείραμά τους. Η σύνδεση των πολλών όψεων του σωματιδίου ήταν έργο γενεών. «Μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε αυτό το σύστημα με πλήρη τρόπο», είπε Ρίτσαρντ Μίλνερ, πυρηνικός φυσικός στο MIT.

Καθώς η καταδίωξη συνεχίζεται, τα μυστικά του πρωτονίου εξαφανίζονται. Πιο πρόσφατα, α ανάλυση μνημειακών δεδομένων που δημοσιεύθηκε τον Αύγουστο διαπίστωσε ότι το πρωτόνιο περιέχει ίχνη σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ γοητείας που είναι βαρύτερα από το ίδιο το πρωτόνιο.

Το πρωτόνιο «είναι ταπεινό για τους ανθρώπους», είπε ο Williams. «Κάθε φορά που νομίζεις ότι έχεις ένα χερούλι πάνω του, σου ρίχνει μερικές κυρτές μπάλες».

Πρόσφατα, ο Milner, μαζί με τον Rolf Ent στο Jefferson Lab, τους σκηνοθέτες του MIT Chris Boebel και Joe McMaster, και τον animator James LaPlante, ξεκίνησαν να μεταμορφώσουν ένα σύνολο απόκρυφες πλοκές που συγκεντρώνουν τα αποτελέσματα εκατοντάδων πειραμάτων σε μια σειρά από κινούμενα σχέδια του σχήματος. -μετατόπιση πρωτονίου. Έχουμε ενσωματώσει τα κινούμενα σχέδια τους στη δική μας προσπάθεια να αποκαλύψουμε τα μυστικά του.

Σπάσιμο Ανοίξτε το πρωτόνιο

Η απόδειξη ότι το πρωτόνιο περιέχει πλήθη προήλθε από το Κέντρο Γραμμικής Επιτάχυνσης του Στάνφορντ (SLAC) το 1967. Σε προηγούμενα πειράματα, οι ερευνητές το είχαν εκτοξεύσει με ηλεκτρόνια και τα έβλεπαν να απομακρύνονται σαν μπάλες του μπιλιάρδου. Αλλά το SLAC μπορούσε να εκτοξεύσει ηλεκτρόνια πιο δυνατά και οι ερευνητές είδαν ότι αναπήδησαν διαφορετικά. Τα ηλεκτρόνια χτυπούσαν το πρωτόνιο αρκετά δυνατά για να το θρυμματίσουν - μια διαδικασία που ονομάζεται βαθιά ανελαστική σκέδαση - και αναπηδούσαν από σημειακά θραύσματα του πρωτονίου που ονομάζονται κουάρκ. «Αυτή ήταν η πρώτη απόδειξη ότι τα κουάρκ υπάρχουν στην πραγματικότητα», είπε Xiaochao Zheng, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια.

Μετά την ανακάλυψη της SLAC, η οποία κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1990, ο έλεγχος του πρωτονίου εντάθηκε. Οι φυσικοί έχουν πραγματοποιήσει εκατοντάδες πειράματα διασποράς μέχρι σήμερα. Συνάγουν διάφορες πτυχές του εσωτερικού του αντικειμένου προσαρμόζοντας το πόσο δυνατά το βομβαρδίζουν και επιλέγοντας ποια διάσπαρτα σωματίδια συλλέγουν στη συνέχεια.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας, οι φυσικοί μπορούν να εντοπίσουν λεπτότερα χαρακτηριστικά του πρωτονίου στόχου. Με αυτόν τον τρόπο, η ενέργεια των ηλεκτρονίων θέτει τη μέγιστη διακριτική ισχύ ενός πειράματος βαθιάς ανελαστικής σκέδασης. Οι ισχυρότεροι επιταχυντές σωματιδίων προσφέρουν μια πιο ευκρινή άποψη του πρωτονίου.

Οι επιταχυντές υψηλότερης ενέργειας παράγουν επίσης ένα ευρύτερο φάσμα αποτελεσμάτων σύγκρουσης, επιτρέποντας στους ερευνητές να επιλέξουν διαφορετικά υποσύνολα των εξερχόμενων ηλεκτρονίων για ανάλυση. Αυτή η ευελιξία έχει αποδειχθεί το κλειδί για την κατανόηση των κουάρκ, τα οποία ενδιαφέρονται για το εσωτερικό του πρωτονίου με διαφορετικές ποσότητες ορμής.

Μετρώντας την ενέργεια και την τροχιά κάθε διασκορπισμένου ηλεκτρονίου, οι ερευνητές μπορούν να καταλάβουν αν έχει ρίξει μια ματιά σε ένα κουάρκ που φέρει ένα μεγάλο κομμάτι της συνολικής ορμής του πρωτονίου ή απλώς ένα μισό. Μέσω επαναλαμβανόμενων συγκρούσεων, μπορούν να κάνουν κάτι σαν απογραφή - προσδιορίζοντας εάν η ορμή του πρωτονίου είναι ως επί το πλείστον συνδεδεμένη σε λίγα κουάρκ ή κατανέμεται σε πολλά.

Ακόμη και οι συγκρούσεις του SLAC με διάσπαση πρωτονίων ήταν ήπιες με τα σημερινά πρότυπα. Σε αυτά τα γεγονότα σκέδασης, τα ηλεκτρόνια συχνά εκτοξεύονταν με τρόπους που υποδηλώνουν ότι είχαν συντριβεί σε κουάρκ που έφεραν το ένα τρίτο της συνολικής ορμής του πρωτονίου. Το εύρημα ταιριάζει με μια θεωρία των Murray Gell-Mann και George Zweig, οι οποίοι το 1964 υπέθεσαν ότι ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ.

Το «μοντέλο κουάρκ» των Gell-Mann και Zweig παραμένει ένας κομψός τρόπος να φανταστεί κανείς το πρωτόνιο. Έχει δύο «επάνω» κουάρκ με ηλεκτρικά φορτία +2/3 το καθένα και ένα «κάτω» κουάρκ με φορτίο −1/3, για συνολικό φορτίο πρωτονίου +1.

Αλλά το μοντέλο κουάρκ είναι μια υπεραπλούστευση που έχει σοβαρές ελλείψεις.

Αποτυγχάνει, για παράδειγμα, όταν πρόκειται για σπιν ενός πρωτονίου, μια κβαντική ιδιότητα ανάλογη με τη γωνιακή ορμή. Το πρωτόνιο έχει μισή μονάδα σπιν, όπως και κάθε κουάρκ πάνω και κάτω. Οι φυσικοί αρχικά υπέθεσαν ότι — σε έναν υπολογισμό που απηχεί την απλή αριθμητική φορτίου — οι μισές μονάδες των δύο άνω κουάρκ μείον αυτή του κάτω κουάρκ πρέπει να ισούνται με μισή μονάδα για το πρωτόνιο ως σύνολο. Αλλά το 1988, η European Muon Collaboration αναφερθεί ότι τα σπιν του κουάρκ είναι πολύ λιγότερο από το μισό. Ομοίως, οι μάζες δύο up quark και ενός down quark αποτελούν μόνο περίπου το 1% της συνολικής μάζας του πρωτονίου. Αυτά τα ελλείμματα οδήγησαν στο σπίτι ένα σημείο που οι φυσικοί είχαν ήδη καταλάβει: Το πρωτόνιο είναι πολύ περισσότερο από τρία κουάρκ.

Πολύ περισσότερο από Τρία Κουάρκ

Ο Επιταχυντής Δακτυλίου Αδρονίων-Ηλεκτρονίων (HERA), ο οποίος λειτούργησε στο Αμβούργο της Γερμανίας, από το 1992 έως το 2007, χτύπησε τα ηλεκτρόνια σε πρωτόνια περίπου χίλιες φορές πιο δυνατά από ό,τι το SLAC. Στα πειράματα HERA, οι φυσικοί μπορούσαν να επιλέξουν ηλεκτρόνια που είχαν αναπηδήσει από κουάρκ εξαιρετικά χαμηλής ορμής, συμπεριλαμβανομένων αυτών που έφεραν μόλις το 0.005% της συνολικής ορμής του πρωτονίου. Και ανίχνευσαν τα κατάφεραν: τα ηλεκτρόνια του HERA αναπήδησαν από μια δίνη κουάρκ χαμηλής ορμής και τα αντίστοιχά τους κατά της ύλης, τα αντικουάρκ.

Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν μια περίπλοκη και περίεργη θεωρία που είχε αντικαταστήσει τότε το μοντέλο των κουάρκ των Gell-Mann και Zweig. Αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1970, ήταν μια κβαντική θεωρία της «ισχυρής δύναμης» που δρα μεταξύ των κουάρκ. Η θεωρία περιγράφει τα κουάρκ ως σχοινιά μεταξύ τους από σωματίδια που φέρουν δύναμη που ονομάζονται γκλουόνια. Κάθε κουάρκ και κάθε γκλουόνιο έχει έναν από τους τρεις τύπους φορτίου «χρώμα», με την ένδειξη κόκκινο, πράσινο και μπλε. αυτά τα χρωματικά φορτισμένα σωματίδια τραβούν φυσικά το ένα το άλλο και σχηματίζουν μια ομάδα - όπως ένα πρωτόνιο - της οποίας τα χρώματα αθροίζονται σε ένα ουδέτερο λευκό. Η πολύχρωμη θεωρία έγινε γνωστή ως κβαντική χρωμοδυναμική ή QCD.

Σύμφωνα με το QCD, τα γκλουόνια μπορούν να πάρουν στιγμιαίες αιχμές ενέργειας. Με αυτή την ενέργεια, ένα γκλουόνιο διασπάται σε ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ - το καθένα φέρει ένα μικρό κομμάτι ορμής - πριν το ζεύγος εκμηδενιστεί και εξαφανιστεί. Μικρότερες ενεργειακές αιχμές παράγουν ζεύγη κουάρκ με χαμηλότερη ορμή, τα οποία ζουν μικρότερες ζωές. Είναι αυτή η «θάλασσα» γκλουονίων, κουάρκ και αντικουάρκ που εντόπισε από πρώτο χέρι το HERA, με τη μεγαλύτερη ευαισθησία του σε σωματίδια χαμηλότερης ορμής.

Η HERA πήρε επίσης υπαινιγμούς για το πώς θα έμοιαζε το πρωτόνιο σε πιο ισχυρούς επιταχυντές. Καθώς οι φυσικοί προσάρμοσαν το HERA για να αναζητήσει κουάρκ χαμηλότερης ορμής, αυτά τα κουάρκ - που προέρχονται από γκλουόνια - εμφανίζονταν σε όλο και μεγαλύτερους αριθμούς. Τα αποτελέσματα πρότειναν ότι σε ακόμη υψηλότερης ενέργειας συγκρούσεις, το πρωτόνιο θα εμφανιζόταν ως ένα σύννεφο που αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από γκλουόνια.

Η πικραλίδα gluon είναι ακριβώς αυτό που προβλέπει το QCD. «Τα δεδομένα HERA είναι άμεση πειραματική απόδειξη ότι το QCD περιγράφει τη φύση», είπε ο Milner.

Αλλά η νίκη της νεαρής θεωρίας ήρθε με ένα πικρό χάπι: Ενώ το QCD περιέγραψε όμορφα τον χορό των βραχύβιων κουάρκ και γκλουονίων που αποκαλύφθηκε από τις ακραίες συγκρούσεις του HERA, η θεωρία είναι άχρηστη για την κατανόηση των τριών μακροχρόνιων κουάρκ που φαίνονται στον ήπιο βομβαρδισμό του SLAC.

Οι προβλέψεις του QCD είναι εύκολο να γίνουν κατανοητές μόνο όταν η ισχυρή δύναμη είναι σχετικά ασθενής. Και η ισχυρή δύναμη εξασθενεί μόνο όταν τα κουάρκ είναι εξαιρετικά κοντά μεταξύ τους, καθώς βρίσκονται σε βραχύβια ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ. Ο Frank Wilczek, ο David Gross και ο David Politzer εντόπισαν αυτό το καθοριστικό χαρακτηριστικό του QCD το 1973, κερδίζοντας το Νόμπελ για αυτό 31 χρόνια αργότερα.

Αλλά για πιο ήπιες συγκρούσεις όπως αυτή του SLAC, όπου το πρωτόνιο δρα σαν τρία κουάρκ που κρατούν αμοιβαία την απόσταση τους, αυτά τα κουάρκ τραβούν το ένα το άλλο αρκετά δυνατά ώστε οι υπολογισμοί του QCD να γίνονται αδύνατος. Έτσι, το έργο της περαιτέρω απομυθοποίησης της άποψης των τριών κουάρκ του πρωτονίου έχει πέσει σε μεγάλο βαθμό στους πειραματιστές. (Ερευνητές που εκτελούν «ψηφιακά πειράματα», στα οποία οι προβλέψεις QCD προσομοιώνονται σε υπερυπολογιστές, έχουν επίσης κάνει βασικές συνεισφορές.) Και είναι σε αυτήν την εικόνα χαμηλής ανάλυσης που οι φυσικοί συνεχίζουν να βρίσκουν εκπλήξεις.

Μια γοητευτική νέα θέα

Πρόσφατα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Χουάν Ρόχο του Εθνικού Ινστιτούτου Υποατομικής Φυσικής στην Ολλανδία και του Πανεπιστημίου VU του Άμστερνταμ ανέλυσαν περισσότερα από 5,000 στιγμιότυπα πρωτονίων που τραβήχτηκαν τα τελευταία 50 χρόνια, χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση για να συμπεράνει τις κινήσεις κουάρκ και γκλουονίων μέσα στο πρωτόνιο με τρόπο που παρακάμπτει τις θεωρητικές εικασίες.

 Ο νέος έλεγχος εντόπισε μια θολούρα φόντου στις εικόνες που είχαν ξεφύγει από προηγούμενους ερευνητές. Σε σχετικά μαλακές συγκρούσεις που μόλις έσπασαν το πρωτόνιο ανοιχτό, το μεγαλύτερο μέρος της ορμής ήταν κλειδωμένο στα συνηθισμένα τρία κουάρκ: δύο ανεβάσματα και ένα κάτω. Αλλά μια μικρή ποσότητα ορμής φάνηκε να προέρχεται από ένα κουάρκ «γοητείας» και ένα αντικουάρκ γοητείας - κολοσσιαία στοιχειώδη σωματίδια που το καθένα ξεπερνά ολόκληρο το πρωτόνιο κατά περισσότερο από το ένα τρίτο.

Οι βραχύβιες γοητείες εμφανίζονται συχνά στην όψη της «θάλασσας κουάρκ» του πρωτονίου (τα γκλουόνια μπορούν να χωριστούν σε οποιονδήποτε από τους έξι διαφορετικούς τύπους κουάρκ αν έχουν αρκετή ενέργεια). Αλλά τα αποτελέσματα από τον Rojo και τους συναδέλφους υποδηλώνουν ότι τα γούρια έχουν πιο μόνιμη παρουσία, καθιστώντας τα ανιχνεύσιμα σε πιο ήπιες συγκρούσεις. Σε αυτές τις συγκρούσεις, το πρωτόνιο εμφανίζεται ως ένα κβαντικό μείγμα ή υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων: Ένα ηλεκτρόνιο συναντά συνήθως τα τρία ελαφρά κουάρκ. Αλλά περιστασιακά θα συναντήσει ένα πιο σπάνιο «μόριο» πέντε κουάρκ, όπως ένα κουάρκ επάνω, κάτω και γοητείας ομαδοποιημένο στη μία πλευρά και ένα κουάρκ επάνω και γοητείας από την άλλη.

Τέτοιες λεπτές λεπτομέρειες σχετικά με τη σύνθεση του πρωτονίου θα μπορούσαν να αποδειχθούν συνεπείς. Στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, οι φυσικοί ψάχνουν για νέα στοιχειώδη σωματίδια, συγκρούοντας πρωτόνια υψηλής ταχύτητας μεταξύ τους και βλέποντας τι αναδύεται. Για να κατανοήσουν τα αποτελέσματα, οι ερευνητές πρέπει να ξέρουν τι υπάρχει σε ένα πρωτόνιο για αρχή. Η περιστασιακή εμφάνιση κουάρκ γιγαντιαίας γοητείας θα έκανε πετάξτε τις πιθανότητες για τη δημιουργία περισσότερων εξωτικών σωματιδίων.

Και όταν τα πρωτόνια που ονομάζονται κοσμικές ακτίνες τρέχουν εδώ από το διάστημα και πέφτουν σε πρωτόνια στην ατμόσφαιρα της Γης, τα κουάρκ γοητείας που εμφανίζονται την κατάλληλη στιγμή θα πλημμύριζαν τη Γη με εξωενεργητικά νετρίνα, υπολόγισαν οι ερευνητές το 2021. Αυτά θα μπορούσαν να μπερδέψουν τους παρατηρητές αναζήτηση για νετρίνα υψηλής ενέργειας που προέρχονται από όλο τον κόσμο.

Η συνεργασία του Rojo σχεδιάζει να συνεχίσει την εξερεύνηση του πρωτονίου αναζητώντας μια ανισορροπία μεταξύ των κουάρκ γοητείας και των αντικουάρκ. Και βαρύτερα συστατικά, όπως το κορυφαίο κουάρκ, θα μπορούσαν να κάνουν ακόμη πιο σπάνιες και πιο δύσκολο να ανιχνευθούν εμφανίσεις.

Τα πειράματα επόμενης γενιάς θα αναζητήσουν ακόμη περισσότερα άγνωστα χαρακτηριστικά. Οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven ελπίζουν να ενεργοποιήσουν τον Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ιόντων τη δεκαετία του 2030 και να συνεχίσουν από εκεί που το HERA σταμάτησε, τραβώντας στιγμιότυπα υψηλότερης ανάλυσης που θα επιτρέψουν τις πρώτες 3D ανακατασκευές του πρωτονίου. Το EIC θα χρησιμοποιήσει επίσης περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια για να δημιουργήσει λεπτομερείς χάρτες των σπιν των εσωτερικών κουάρκ και γκλουονίων, όπως ακριβώς το SLAC και το HERA χαρτογράφησαν τις ορμές τους. Αυτό θα βοηθήσει τους ερευνητές να εντοπίσουν τελικά την προέλευση του σπιν του πρωτονίου και να απαντήσουν σε άλλα θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το σύγχυση σωματιδίου που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του καθημερινού μας κόσμου.