Prootoni sees on "kõige keerulisem asi, mida võite ette kujutada"

Rohkem kui sajand pärast seda, kui Ernest Rutherford avastas positiivselt laetud osakese iga aatomi südames, näevad füüsikud endiselt vaeva, et prootonit täielikult mõista.

Keskkooli füüsikaõpetajad kirjeldavad neid kui iseloomutuid kuule, millest igaühel on üks ühik positiivset elektrilaengut – ideaalsed fooliumid nende ümber sumisevatele negatiivselt laetud elektronidele. Kolledži üliõpilased saavad teada, et pall on tegelikult kolmest elementaarosakesest koosnev kimp, mida nimetatakse kvarkideks. Kuid aastakümneid kestnud uuringud on paljastanud sügavama tõe, mis on liiga veider, et seda sõnade või piltidega täielikult tabada.

"See on kõige keerulisem asi, mida võite ette kujutada," ütles Mike Williams, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi füüsik. "Tegelikult ei kujuta te isegi ette, kui keeruline see on."

Prooton on kvantmehaaniline objekt, mis eksisteerib tõenäosuste uduna, kuni katse sunnib seda võtma konkreetse kuju. Ja selle vormid erinevad drastiliselt sõltuvalt sellest, kuidas teadlased oma katse üles seadsid. Osakese paljude nägude ühendamine on olnud põlvkondade töö. "Me alles hakkame seda süsteemi täielikult mõistma," ütles Richard Milner, MIT-i tuumafüüsik.

Kui jälitamine jätkub, kukuvad prootonite saladused aina välja. Viimati a monumentaalne andmete analüüs augustil avaldati, et prooton sisaldab jälgi osakestest, mida nimetatakse võlukvarkideks ja mis on prootonist endast raskemad.

Prooton "on olnud inimestele alandlik," ütles Williams. "Iga kord, kui arvate, et teil on see käepide, lööb see sulle kõveraks."

Hiljuti asusid Milner koos Rolf Entiga Jefferson Labist, MIT-i filmitegijate Chris Boebeli ja Joe McMasteri ning animaator James LaPlantega ümber kujundama salakavandeid, mis koondavad sadade katsete tulemused kujuga animatsioonide seeriaks. - nihutav prooton. Oleme lisanud nende animatsioonid oma katsesse selle saladusi paljastada.

Prootoni lõhenemine

Tõestus selle kohta, et prootonid sisaldavad paljusid, pärines 1967. aastal Stanfordi lineaarkiirendi keskusest (SLAC). Varasemates katsetes olid teadlased seda elektronidega loopinud ja jälginud, kuidas need piljardipallidena maha lendasid. Kuid SLAC võis elektrone jõulisemalt paisata ja teadlased nägid, et need põrkasid tagasi erinevalt. Elektronid tabasid prootonit piisavalt tugevalt, et see purustada – seda protsessi nimetatakse sügavaks mitteelastseks hajumiseks – ja põrkasid tagasi prootoni punktitaolistest kildudest, mida nimetatakse kvarkideks. "See oli esimene tõend selle kohta, et kvargid tegelikult eksisteerivad," ütles Xiaochao Zheng, Virginia ülikooli füüsik.

Pärast SLAC-i avastust, mis pälvis 1990. aastal Nobeli füüsikaauhinna, intensiivistus prootonite kontroll. Füüsikud on tänaseks läbi viinud sadu hajutamiskatseid. Nad järeldavad objekti sisemuse erinevaid aspekte, kohandades seda, kui jõuliselt nad seda pommitavad, ja valides, milliseid hajutatud osakesi nad koguvad.

Kasutades kõrgema energiaga elektrone, saavad füüsikud välja tuua sihtprootoni peenemad omadused. Sel viisil määrab elektroni energia sügava mitteelastse hajumise katse maksimaalse lahutusvõime. Võimsamad osakeste põrkajad pakuvad prootonile teravamat vaadet.

Suurema energiaga põrkajad toodavad ka laiemat hulka kokkupõrketulemusi, võimaldades teadlastel valida analüüsimiseks erinevaid väljuvate elektronide alamhulka. See paindlikkus on osutunud võtmeks kvarkide mõistmisel, mis hoolivad prootoni sees erineva hooga.

Mõõtes iga hajutatud elektroni energiat ja trajektoori, saavad teadlased kindlaks teha, kas see on heitnud pilgu kvarkile, mis kannab suurt tükki prootoni koguimpulsist või vaid väikest hetke. Korduvate kokkupõrgete kaudu võivad nad teha midagi loenduse sarnast – teha kindlaks, kas prootoni impulss on enamasti seotud mõne kvarkiga või jaotub paljudele.

Isegi SLAC-i prootonite lõhenevad kokkupõrked olid tänapäevaste standardite kohaselt õrnad. Nende hajumise korral paiskusid elektronid sageli välja viisil, mis viitab sellele, et nad olid põrganud kvarkidesse, mis kandsid kolmandikku prootoni koguimpulsist. See leid ühtis Murray Gell-Manni ja George Zweigi teooriaga, kes väitsid 1964. aastal, et prooton koosneb kolmest kvargist.

Gell-Manni ja Zweigi "kvargimudel" on endiselt elegantne viis prootoni kujutamiseks. Sellel on kaks "üles" kvarki elektrilaenguga +2/3 ja üks "alla" kvark laenguga -1/3, prootonite kogulaenguks +1.

Kuid kvarkmudel on liigne lihtsustamine, millel on tõsiseid puudusi.

See ebaõnnestub näiteks prootoni spinni puhul, mis on nurkimpulsiga analoogne kvantomadus. Prootonil on pool spinniühikut, nagu ka igal tema üles- ja allapoole kvargil. Füüsikud eeldasid algselt, et lihtsat laenguaritmeetikat kordavas arvutuses peavad kahe ülespoole kvarki poolühikud miinus allapoole kvargi poolühikud prootoni kui terviku kohta võrduma poole ühikuga. Kuid 1988. aastal Euroopa Muoni koostöö teatatud et kvargi keerutused moodustavad kokku palju vähem kui poole. Samamoodi moodustavad kahe üles kvargi ja ühe alla kvargi massid vaid umbes 1% prootoni kogumassist. Need puudujäägid tõid koju punkti, mida füüsikud juba hakkasid hindama: prooton on palju rohkem kui kolm kvarki.

Palju rohkem kui kolm kvarki

Saksamaal Hamburgis aastatel 1992–2007 tegutsenud hadron-elektronirõnga kiirendi (HERA) lõi elektronid prootoniteks umbes tuhat korda jõulisemalt kui SLAC. HERA katsetes võisid füüsikud valida elektronid, mis olid tagasi põrganud ülimadala impulsiga kvarkidest, sealhulgas need, mis kannavad vaid 0.005% prootoni koguimpulsist. Ja nad avastasid need: HERA elektronid põrkasid tagasi väikese impulsiga kvarkide ja nende antiainevastaste antikvarkide keerisest.

Tulemused kinnitasid keerukat ja veidrat teooriat, mis oli selleks ajaks asendanud Gell-Manni ja Zweigi kvargimudeli. See töötati välja 1970. aastatel, see oli kvarkide vahel mõjuva "tugeva jõu" kvantteooria. Teooria kirjeldab kvarke kui jõudu kandvate osakeste, mida nimetatakse gluoonideks, köiega. Igal kvargil ja igal gluoonil on üks kolmest värvilaengu tüübist, mis on tähistatud punaseks, roheliseks ja siniseks; need värviga laetud osakesed tõmbavad üksteist loomulikult ja moodustavad rühma – näiteks prootoni –, mille värvid annavad kokku neutraalse valge. Värvikas teooria sai tuntuks kui kvantkromodünaamika või QCD.

QCD kohaselt võivad gluoonid koguda hetkelisi energiapiike. Selle energia toimel jaguneb gluoon kvarkiks ja antikvarkiks – kumbki kannab väikest hoogu – enne kui paar hävib ja kaob. Väiksemad energianaelad tekitavad väiksema hooga kvargipaare, mis elavad lühemat elu. Just selle gluoonide, kvarkide ja antikvarkide "mere" avastas HERA oma suurema tundlikkusega väiksema impulsiga osakeste suhtes koheselt.

HERA kogus ka vihjeid selle kohta, kuidas prooton võimsamates põrkeseadmetes välja näeks. Kui füüsikud kohandasid HERA-d madalama impulsiga kvarkide otsimiseks, ilmnes neid gluoonidest pärit kvarke üha rohkem ja rohkem. Tulemused viitasid sellele, et isegi suurema energiaga kokkupõrgetes näib prooton pilvena, mis koosneb peaaegu täielikult gluoonidest.

Gluooni võilill on täpselt see, mida QCD ennustab. "HERA andmed on otsene eksperimentaalne tõend selle kohta, et QCD kirjeldab loodust, " ütles Milner.

Kuid noore teooria võiduga kaasnes kibe pill: kuigi QCD kirjeldas kaunilt lühiajaliste kvarkide ja gluoonide tantsu, mis ilmnes HERA äärmuslikes kokkupõrgetes, on see teooria kasutu, et mõista kolme kauakestvat kvarki, mida SLAC-i õrnal pommitamisel täheldati.

QCD ennustusi on lihtne mõista ainult siis, kui tugev jõud on suhteliselt nõrk. Ja tugev jõud nõrgeneb ainult siis, kui kvargid on üksteisele äärmiselt lähedal, nagu nad on lühiajalistes kvark-antikvarkide paarides. Frank Wilczek, David Gross ja David Politzer tuvastasid selle QCD tunnusjoone 1973. aastal, võites selle eest 31 aastat hiljem Nobeli preemia.

Kuid leebemate kokkupõrgete puhul, nagu SLAC, kus prooton toimib nagu kolm kvarki, mis hoiavad üksteisega distantsi, tõmbavad need kvargid üksteist piisavalt tugevalt kokku, et QCD arvutused muutuksid võimatuks. Seega on prootoni kolme kvargi vaate edasise demüstifitseerimise ülesanne langenud suuresti eksperimentalistidele. (Teadlased, kes viivad läbi "digitaalseid katseid", milles QCD ennustusi simuleeritakse superarvutites, on samuti teinud peamised panused.) Ja just sellel madala eraldusvõimega pildil leiavad füüsikud pidevalt üllatusi.

Võluv uus vaade

Hiljuti meeskond eesotsas Juan Rojo Madalmaade riikliku subatomilise füüsika instituudi ja Amsterdami VU ülikooli uurijad analüüsisid enam kui 5,000 viimase 50 aasta jooksul tehtud prootonite tõmmet, kasutades masinõpet, et järeldada kvarkide ja gluoonide liikumist prootonis viisil, mis eirab teoreetilised oletused.

 Uus kontroll tuvastas piltidel, mis olid varasematest uurijatest põgenenud, tausta hägu. Suhteliselt pehmetes kokkupõrgetes, mis vaevu prootonit lahti murdsid, oli suurem osa hoogu lukustatud tavapärases kolmes kvarkis: kaks tõusu ja langust. Kuid väike kogus hoogu näis tulevat "võluvast" kvargist ja võluvast antikvargist – kolossaalsetest elementaarosakestest, millest igaüks kaalub kogu prootoni rohkem kui ühe kolmandiku võrra üles.

Lühiajalised võlud ilmuvad sageli prootoni "kvargimere" vaates (gluoonid võivad jaguneda kuueks erinevaks kvargitüübiks, kui neil on piisavalt energiat). Kuid Rojo ja kolleegide tulemused viitavad sellele, et võludel on püsivam kohalolek, muutes need tuvastatavaks õrnemate kokkupõrgete korral. Nendes kokkupõrgetes ilmneb prooton mitme oleku kvantseguna või superpositsioonina: elektron puutub tavaliselt kokku kolme kergekaalulise kvarkiga. Kuid aeg-ajalt kohtab see viiest kvargist koosnevat haruldasemat "molekuli", nagu ühel küljel rühmitatud üles-, alla- ja võlukvark ning teisel küljel üles- ja võlukvark.

Sellised peened üksikasjad prootoni koostise kohta võivad osutuda tagajärgedeks. Suures hadronite põrgatis otsivad füüsikud uusi elementaarosakesi, lüües kokku kiireid prootoneid ja vaadates, mis sealt välja hüppab; tulemuste mõistmiseks peavad teadlased teadma, mis prootonis on. Aeg-ajalt ilmuksid hiiglaslikud võlukvargid loovutage tõenäosus eksootilisemate osakeste valmistamisel.

Ja kui kosmilisteks kiirteks kutsutavad prootonid kosmosest siia tormavad ja Maa atmosfääris prootoniteks põrkavad, katavad õigetel hetkedel esile kerkivad võlukvargid Maa üle. ekstraenergilised neutriinod, arvutasid teadlased 2021. aastal. Need võivad vaatlejaid segadusse ajada otsimine üle kosmose tulevate suure energiaga neutriinode jaoks.

Rojo koostöö kavatseb jätkata prootonite uurimist, otsides tasakaalutust võlukvarkide ja antikvarkide vahel. Ja raskemad komponendid, nagu ülemine kvark, võivad ilmuda veelgi harvemini ja raskemini tuvastatavad.

Järgmise põlvkonna katsed otsivad veelgi rohkem tundmatuid funktsioone. Brookhaveni riikliku labori füüsikud loodavad 2030. aastatel käivitada elektronioonide põrkeseadme ja jätkata sealt, kus HERA pooleli jäi, tehes kõrgema eraldusvõimega pilte, mis võimaldavad prootoni esimesi 3D-rekonstruktsioone. EIC kasutab keerlevaid elektrone ka sisemiste kvarkide ja gluoonide spinnide üksikasjalike kaartide loomiseks, nagu SLAC ja HERA kaardistasid oma impulsid. See peaks aitama teadlastel lõpuks kindlaks teha prootoni pöörlemise päritolu ja käsitleda muid põhiküsimusi segadust tekitava osakese kohta, mis moodustab suurema osa meie igapäevasest maailmast.