Pöörlemisjõud, prootonis mõõdetud muljumisrõhud | Ajakiri Quanta

Füüsikud on hakanud prootonit uurima, nagu oleks see subatomaalne planeet. Väljalõigatud kaardid näitavad osakese sisemuse uusi üksikasju. Prootoni tuumas on intensiivsem rõhk kui mis tahes muus teadaolevas ainevormis. Poolel teel pinnale suruvad üksteise vastu põrkuvad jõupöörised. Ja "planeet" tervikuna on väiksem, kui eelnevad katsed soovitasid.

Eksperimentaalsed uuringud tähistavad järgmist etappi püüdlustes mõista osakesi, mis ankurdab iga aatomit ja moodustab suurema osa meie maailmast.

"Me näeme seda tõesti täiesti uue suuna avamisena, mis muudab meie suhtumist mateeria põhistruktuuri," ütles Latifa Elouadrhiri, Virginia osariigis Newport Newsis asuva Thomas Jeffersoni riikliku kiirendi füüsik, kes osaleb selles jõupingutuses.

Katsed annavad prootonile sõna otseses mõttes uue valguse. Aastakümnete jooksul on teadlased hoolikalt kaardistanud positiivselt laetud osakese elektromagnetilise mõju. Kuid uues uuringus kaardistavad Jefferson Labi füüsikud prootonite gravitatsioonimõju - nimelt energiate, rõhkude ja nihkepingete jaotust kogu ulatuses, mis painutavad ruumi-aja kangast osakeses ja selle ümber. Teadlased teevad seda, kasutades omapärast viisi, kuidas footonite paarid, valgusosakesed, võivad jäljendada gravitoni, hüpoteesitud osakest, mis edastab gravitatsioonijõudu. Pingides prootonit footonitega, järeldavad nad kaudselt, kuidas gravitatsioon sellega suhtleb, realiseerides aastakümnete taguse unistuse prootoni üle kuulata sel alternatiivsel viisil.

"See on tour de force," ütles Cédric Lorcé, Prantsusmaal Ecole Polytechnique'i füüsik, kes tööga ei osalenud. "Eksperimentaalselt on see äärmiselt keeruline." 

Footonitest gravitoniteni

Füüsikud on viimase 70 aasta jooksul prootoni kohta tohutult palju teada saanud, tabades seda korduvalt elektronidega. Nad teavad, et selle elektrilaeng ulatub selle keskpunktist ligikaudu 0.8 femtomeetrit ehk meetri kvadriljonitikku. Nad teavad, et sissetulevad elektronid kipuvad heitma pilgu ühele kolmest kvargist – laengufraktsioonidega elementaarosakestest –, mis selle sees sumisevad. Samuti on nad täheldanud kvantteooria sügavalt kummalisi tagajärgi, kus tugevamate kokkupõrgete korral näivad elektronid kohtab vahutavat merd koosneb palju enamatest kvarkidest ja ka gluoonidest, nn tugeva jõu kandjatest, mis kvarke kokku liimib.

Kogu see teave pärineb ühest seadistusest: lasete prootoni pihta elektroni ja osakesed vahetavad ühte footoni – elektromagnetilise jõu kandjat – ja lükkavad üksteist eemale. See elektromagnetiline interaktsioon räägib füüsikutele, kuidas kvargid kui laetud objektid kipuvad end paigutama. Kuid prootonis on palju enamat kui selle elektrilaeng.

"Kuidas jaotuvad aine ja energia?" küsis Peter Schweitzer, Connecticuti ülikooli teoreetiline füüsik. "Me ei tea."

Schweitzer on suurema osa oma karjäärist mõelnud prootoni gravitatsioonilisele poolele. Täpsemalt on ta huvitatud prootoni omaduste maatriksist, mida nimetatakse energia-impulsi tensoriks. "Energia-impulsi tensor teab kõike, mida osakese kohta teada saab," ütles ta.

Albert Einsteini üldrelatiivsusteoorias, mis heidab gravitatsioonilist külgetõmmet objektidena, mis järgivad aegruumi kõveraid, ütleb energia-impulsi tensor aegruumile, kuidas painutada. See kirjeldab näiteks energia (või samaväärselt massi) paigutust - lõviosa aegruumi keerdumise allikat. Samuti jälgib see teavet selle kohta, kuidas impulss jaotub, samuti kus toimub kokkusurumine või laienemine, mis võib samuti aegruumi kergelt kõverdada.

Kui me saaksime teada prootonit ümbritseva aegruumi kuju, vene ja ameerika füüsikud 1960. aastatel iseseisvalt välja töötasid, võisime järeldada kõiki selle energia-impulsi tensoris indekseeritud omadusi. Nende hulka kuuluvad prootoni mass ja spin, mis on juba teada, koos prootoni rõhkude ja jõudude paigutusega, mida füüsikud nimetavad kollektiivseks omandiks terminiks "Druck" pärast sõna rõhku saksa keeles. See termin on "sama oluline kui mass ja spin, ja keegi ei tea, mis see on," ütles Schweitzer - kuigi see hakkab muutuma.

60ndatel tundus, et energia-impulsi tensori mõõtmiseks ja Drucki termini arvutamiseks on vaja gravitatsioonilist versiooni tavalisest hajumise katsest: tulistate massiivse osakese prootoni pihta ja lasete neil kahel gravitoni – hüpoteetilise osakese – vahetada. mis moodustab pigem gravitatsioonilained kui footon. Kuid gravitatsiooni äärmise nõrkuse tõttu eeldavad füüsikud, et gravitoni hajumine toimub 39 suurusjärku harvemini kui footonite hajumine. Katsete abil ei saa nii nõrka mõju tuvastada.

"Mäletan, et lugesin sellest, kui olin üliõpilane," ütles Volker Burkert, Jefferson Labi meeskonna liige. Kokkuvõte oli see, et "me tõenäoliselt ei saa kunagi midagi õppida osakeste mehaaniliste omaduste kohta."

Gravitatsioon ilma gravitatsioonita

Gravitatsioonikatsed on tänapäeval veel mõeldamatud. Kuid 1990. aastate lõpus ja 2000. aastate alguses tegid füüsikud Xiangdong Ji ja eraldi töötades hiline Maxim Polyakov. selgus a lahendus.

Üldine skeem on järgmine. Kui lasete elektroni kergelt prootoni suunas, toimetab see tavaliselt footoni ühele kvarkile ja vaatab kõrvale. Kuid vähem kui ühel sündmusel miljardist juhtub midagi erilist. Sissetulev elektron saadab sisse footoni. Kvark neelab selle ja kiirgab seejärel südamelöögiga teise footoni. Peamine erinevus seisneb selles, et see haruldane sündmus hõlmab ühe footoni asemel kahte – nii sissetulevaid kui ka väljuvaid footoneid. Ji ja Polyakovi arvutused näitasid, et kui eksperimentalistid suudaksid saadud elektroni, prootoni ja footoni koguda, saaksid nad nende osakeste energiate ja impulsside põhjal järeldada, mis juhtus kahe footoniga. Ja see kahe footoni eksperiment oleks sisuliselt sama informatiivne kui võimatu gravitoni hajumise eksperiment.

Kuidas saavad kaks footoni gravitatsioonist midagi teada? Vastus hõlmab räiget matemaatikat. Kuid füüsikud pakuvad kaks mõtteviisi selle kohta, miks trikk töötab.

Footonid on elektromagnetväljas esinevad lained, mida saab kirjeldada ühe noole või vektoriga igas ruumis, mis näitab välja väärtust ja suunda. Gravitonid oleksid aegruumi geomeetria lained, keerulisem väli, mida esindab igas punktis kahe vektori kombinatsioon. Gravitoni hõivamine annaks füüsikutele kaks teabevektorit. Peale selle võivad gravitoni asemel olla kaks footonit, kuna need kannavad ühiselt kahte teabevektorit.

Matemaatika alternatiivne tõlgendus on järgmine. Ajal, mil kvark neelab esimese footoni ja kiirgab teist, järgib kvark ruumi läbivat rada. Seda teed uurides saame teada selliste omaduste kohta nagu teed ümbritsevad surved ja jõud.

"Me ei tee gravitatsioonikatset," ütles Lorcé. Kuid "peaksime saama kaudse juurdepääsu sellele, kuidas prooton peaks gravitoniga suhtlema." 

Planeedi prootoni uurimine

Jefferson Labi füüsikud kraapisid 2000. aastal kokku mõned kahe footoni hajumise sündmused. See kontseptsiooni tõend ajendas neid looma uut katset ja 2007. aastal purustasid nad elektronid prootoniteks piisavalt palju, et koguda ligikaudu 500,000 XNUMX gravitoni jäljendavat kokkupõrget. Eksperimentaalsete andmete analüüsimine võttis veel kümme aastat aega.

Ajaruumi painutamise omaduste indeksist võttis töörühm välja raskesti mõistetava Drucki termini avaldamine nende hinnang prootonite siserõhust loodus aastal 2018.

Nad leidsid, et prootoni südames tekitab tugev jõud kujuteldamatu intensiivsusega rõhku – 100 miljardit triljonit triljonit paskalit ehk umbes 10 korda suurem rõhk neutrontähe südames. Keskmest kaugemal rõhk langeb ja pöördub lõpuks sissepoole, kuna see peab olema selleks, et prooton ei lendaks laiali. "See tuleb katsest välja," ütles Burkert. "Jah, prooton on tegelikult stabiilne." (See leid ei mõjuta kas prootonid lagunevadmis aga hõlmab teist tüüpi ebastabiilsust, mida ennustavad mõned spekulatiivsed teooriad.)

Jefferson Labi rühm jätkas Drucki termini analüüsimist. Nad avaldasid ülevaate osana hinnangu nihkejõudude – prootoni pinnaga paralleelselt suruvate sisejõudude – kohta. avaldatud detsembris. Füüsikud leidsid, et prootoni südamiku lähedal kogeb väänamisjõudu, mis neutraliseeritakse pinnale lähemal asuvas teises suunas keerates. Need mõõtmised rõhutavad ka osakese stabiilsust. Pöördeid oodati Schweitzeri ja Poljakovi teoreetilise töö põhjal. "Sellele vaatamata on selle esmakordne katsetamine tunnistajaks tõeliselt jahmatav," ütles Elouadrhiri.

Nüüd kasutavad nad neid tööriistu prootoni suuruse arvutamiseks uuel viisil. Traditsioonilistes hajumise katsetes olid füüsikud täheldanud, et osakese elektrilaeng ulatub selle keskpunktist umbes 0.8 femtomeetri kaugusele (st selles piirkonnas sumisevad selle koostisosad kvargid). Kuid sellel "laadimisraadiusel" on mõned veidrused. Näiteks neutroni puhul – prootoni neutraalse vaste puhul, kus kaks negatiivselt laetud kvarki kipuvad rippuma sügavale osakese sees, samas kui üks positiivselt laetud kvark veedab rohkem aega pinna lähedal – tuleb laengu raadius välja negatiivse arvuna. . „See ei tähenda, et suurus on negatiivne; see pole lihtsalt ustav meede,” ütles Schweitzer.

Uus lähenemisviis mõõdab aegruumi piirkonda, mis on prootoni poolt oluliselt kõverdatud. Eeltrükis, mida pole veel eksperthinnangu saanud, arvutas Jefferson Labi meeskond, et see raadius võib olla umbes 25% väiksem kui laengu raadius, vaid 0.6 femtomeetrit.

Planeedi prootonite piirid

Kontseptuaalselt silub selline analüüs kvarkide hägusat tantsu tahkeks, planeeditaoliseks objektiks, kusjuures rõhud ja jõud mõjuvad igale ruumalatükile. See külmunud planeet ei peegelda täielikult raju prootonit kogu selle kvanthiilguses, kuid see on kasulik mudel. "See on tõlgendus," ütles Schweitzer.

Ja füüsikud rõhutavad, et esialgsed kaardid on mõnel põhjusel umbkaudsed.

Esiteks nõuaks energia-impulsi tensori täpne mõõtmine palju suuremaid kokkupõrkeenergiaid, kui Jefferson Lab suudab toota. Meeskond on teinud kõvasti tööd, et ekstrapoleerida suundumusi nende suhteliselt madalate energiaallikate põhjal, kuid füüsikud pole kindlad, kui täpsed need ekstrapolatsioonid on.

Pealegi on prootonit rohkem kui selle kvarke; see sisaldab ka gluoone, mis oma surve ja jõududega ringi loksuvad. Kahe fotoni trikk ei suuda tuvastada gluoonide mõju. Eraldi töörühm Jefferson Labis kasutas analoogset trikki (mis hõlmab topeltgluooni interaktsiooni), et avaldada nende gluooniefektide esialgne gravitatsioonikaart. loodus mullu, kuid ka see põhines piiratud ja vähese energiatarbega andmetel.

"See on esimene samm," ütles Brookhaveni riikliku labori füüsik Yoshitaka Hatta, kes sai pärast Jefferson Labi rühma 2018. aasta tööd inspiratsiooni alustada gravitatsiooniprootonite uurimist.

Nii prootoni kvarkide kui ka selle gluoonide teravamad gravitatsioonikaardid võivad tulla 2030. aastatel, kui alustab tööd elektronioonide põrgataja, praegu Brookhavenis ehitatav eksperiment.

Vahepeal jätkavad füüsikud digikatsetusi. Phiala Shanahan, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi tuuma- ja osakeste füüsik, juhib meeskonda, mis arvutab kvarkide ja gluoonide käitumist, lähtudes tugeva jõu võrranditest. 2019. aastal tema ja tema kaastöötajad hindas survet ja nihkejõud ning oktoobris need hindas raadiust, muude omaduste hulgas. Seni on nende digitaalsed leiud üldjoontes ühtlustatud Jefferson Labi füüsiliste leidudega. "Ma olen kindlasti üsna põnevil hiljutiste katsetulemuste ja meie andmete vahelisest kooskõlast," ütles Shanahan.

Isegi prootoni seni saavutatud udused pilgud on teadlaste arusaama osakesest õrnalt ümber kujundanud.

Mõned tagajärjed on praktilised. Euroopa organisatsioonis CERNis, mis juhib maailma suurimat prootonite purustajat Large Hadron Collider, olid füüsikud varem eeldanud, et teatud haruldaste kokkupõrgete korral võivad kvargid kokkupõrke prootonite sees olla. Kuid gravitatsiooniliselt inspireeritud kaardid viitavad sellele, et kvargid kipuvad sellistel juhtudel keskuse lähedal välja rippuma.

"Juba CERNis kasutatavaid mudeleid on värskendatud," ütles katsetega tegelenud Jefferson Labi füüsik Francois-Xavier Girod.

Uued kaardid võivad anda juhiseid ka prootoni ühe sügavaima saladuse lahendamiseks: miks kvargid end üldse prootoniteks seovad. On intuitiivne argument, et kuna iga kvargipaari vaheline tugev jõud intensiivistub üksteisest kaugenedes, nagu elastne riba, ei saa kvargid kunagi oma kaaslaste eest põgeneda.

Kuid prootonid on valmistatud kvarkide perekonna kõige kergematest liikmetest. Ja kergeid kvarke võib pidada ka pikkadeks laineteks, mis ulatuvad prootoni pinnast kaugemale. See pilt viitab sellele, et prootoni sidumine võib toimuda mitte elastsete ribade sisemise tõmbamise, vaid nende laineliste väljaveninud kvarkide välise interaktsiooni kaudu. Survekaart näitab tugeva jõu külgetõmmet, mis ulatub kuni 1.4 femtomeetrini ja kaugemale, tugevdades argumenti selliste alternatiivsete teooriate poolt.

"See ei ole kindel vastus," ütles Girod, "kuid see viitab tõsiasjale, et need lihtsad elastsete ribadega kujutised ei ole heledate kvarkide jaoks olulised."