نیروهای چرخشی، فشارهای خرد کننده اندازه گیری شده در پروتون | مجله کوانتا

فیزیکدانان شروع به کاوش در پروتون کرده اند که گویی یک سیاره زیر اتمی است. نقشه‌های برش، جزئیات جدیدی از فضای داخلی ذره را نشان می‌دهند. هسته پروتون دارای فشارهای شدیدتر از هر شکل شناخته شده دیگری از ماده است. در نیمه راه به سمت سطح، گردابه‌های متقابل نیرو به یکدیگر فشار می‌آورند. و "سیاره" به عنوان یک کل کوچکتر از آزمایش های قبلی است.

تحقیقات تجربی مرحله بعدی تلاش برای درک ذره ای را نشان می دهد که هر اتم را لنگر می اندازد و بخش عمده ای از جهان ما را تشکیل می دهد.

گفت: «ما واقعاً آن را به‌عنوان باز کردن یک جهت کاملاً جدید می‌دانیم که نگاه ما به ساختار بنیادی ماده را تغییر می‌دهد.» لطیفه الوادرهیری، یک فیزیکدان در مرکز شتاب دهنده ملی توماس جفرسون در نیوپورت نیوز، ویرجینیا، که در این تلاش مشارکت دارد.

آزمایش‌ها به معنای واقعی کلمه نور جدیدی را بر پروتون می‌تاباند. در طول دهه‌ها، محققان به دقت تأثیر الکترومغناطیسی ذره با بار مثبت را ترسیم کرده‌اند. اما در تحقیقات جدید، فیزیکدانان آزمایشگاه جفرسون در عوض در حال ترسیم تأثیر گرانشی پروتون هستند - یعنی توزیع انرژی ها، فشارها و تنش های برشی در سراسر آن، که بافت فضا-زمان را در داخل و اطراف ذره خم می کند. محققان این کار را با بهره برداری از روشی عجیب انجام می دهند که در آن جفت فوتون ها، ذرات نور، می توانند از گراویتون تقلید کنند، ذره فرضی که نیروی گرانش را منتقل می کند. با پینگ کردن پروتون با فوتون‌ها، آنها به طور غیرمستقیم استنباط می‌کنند که گرانش چگونه با آن برهم‌کنش می‌کند و رویای چندین دهه تحقیق از پروتون را به این روش جایگزین محقق می‌کند.

گفت: "این یک تور دو نیرو است." سدریک لورسه، یک فیزیکدان در Ecole Polytechnique در فرانسه که در این کار دخالتی نداشت. "از نظر تجربی، بسیار پیچیده است." 

از فوتون تا گراویتون

فیزیکدانان در 70 سال گذشته با برخورد مکرر با الکترون به پروتون، مقدار زیادی در مورد پروتون آموخته اند. آنها می دانند که بار الکتریکی آن تقریباً 0.8 فمتو متر یا چهار میلیاردم متر از مرکز آن امتداد دارد. آنها می‌دانند که الکترون‌های ورودی تمایل دارند به یکی از سه کوارک - ذرات بنیادی با کسری بار - که در درون آن وزوز می‌کنند نگاه کنند. آنها همچنین پیامدهای عمیقا عجیب نظریه کوانتومی را مشاهده کرده اند که در آن، در برخوردهای شدیدتر، الکترون ها به نظر می رسد با دریای کف آلود روبرو می شوید از کوارک‌های بسیار بیشتری و همچنین گلوئون‌ها، حامل‌های به اصطلاح نیروی قوی، که کوارک‌ها را به هم می‌چسباند، تشکیل شده است.

همه این اطلاعات از یک تنظیم منفرد به دست می آیند: شما یک الکترون را به سمت یک پروتون شلیک می کنید و ذرات یک فوتون واحد - حامل نیروی الکترومغناطیسی - را مبادله می کنند و یکدیگر را دور می کنند. این برهمکنش الکترومغناطیسی به فیزیکدانان می گوید که چگونه کوارک ها، به عنوان اجسام باردار، تمایل دارند خود را مرتب کنند. اما پروتون چیزهای بیشتری نسبت به بار الکتریکی آن دارد.

"ماده و انرژی چگونه توزیع می شوند؟" پرسید پیتر شوایتزر، فیزیکدان نظری در دانشگاه کانکتیکات. "ما نمی دانیم."

شوایتزر بیشتر دوران حرفه ای خود را صرف تفکر در مورد جنبه گرانشی پروتون کرده است. به طور خاص، او به ماتریسی از خواص پروتون به نام تانسور انرژی- تکانه علاقه مند است. او گفت: «تانسور انرژی- تکانه همه چیزهایی را که درباره ذره باید دانست می‌داند.

در نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، که جاذبه گرانشی را به عنوان اجسامی که منحنی های فضا-زمان را دنبال می کنند، ایجاد می کند، تانسور انرژی- تکانه به فضا-زمان می گوید که چگونه خم شود. به عنوان مثال، آرایش انرژی (یا به طور معادل، جرم) را توصیف می کند - منبع سهم شیر از پیچش فضا-زمان. همچنین اطلاعات مربوط به نحوه توزیع تکانه و همچنین مکان هایی که فشرده سازی یا انبساط وجود دارد را ردیابی می کند که می تواند فضا-زمان را نیز به آرامی منحنی کند.

اگر می توانستیم شکل فضا-زمان احاطه کننده یک پروتون را یاد بگیریم، روسی و امریکایی فیزیکدانان به طور مستقل در دهه 1960 کار کردند، ما می‌توانیم تمام ویژگی‌های نمایه‌شده در تانسور انرژی- تکانه آن را استنتاج کنیم. اینها شامل جرم و اسپین پروتون است که قبلاً شناخته شده است، همراه با آرایش فشارها و نیروهای پروتون، یک ویژگی جمعی فیزیکدانان از آن به عنوان "اصطلاح دراک"، پس از کلمه فشار در آلمانی یاد می کنند. شوایتزر گفت: این اصطلاح "به اندازه جرم و اسپین مهم است و هیچ کس نمی داند چیست" - اگرچه این در حال تغییر است.

در دهه 60، به نظر می رسید که اندازه گیری تانسور انرژی- تکانه و محاسبه عبارت دراک نیاز به یک نسخه گرانشی از آزمایش پراکندگی معمول دارد: شما یک ذره عظیم را به سمت یک پروتون شلیک می کنید و اجازه می دهید این دو یک گراویتون را مبادله کنند - ذره فرضی. که امواج گرانشی را می سازد - به جای یک فوتون. اما به دلیل ضعف شدید گرانش، فیزیکدانان انتظار دارند که پراکندگی گراویتون 39 مرتبه قدر کمتر از پراکندگی فوتون رخ دهد. آزمایش ها نمی توانند چنین اثر ضعیفی را تشخیص دهند.

گفت: «به یاد می آورم که در دوران دانشجویی در مورد این مطلب خوانده بودم فولکر برکرت، یکی از اعضای تیم آزمایشگاه جفرسون. نکته اصلی این بود که "ما احتمالا هرگز نخواهیم توانست چیزی در مورد خواص مکانیکی ذرات بیاموزیم."

جاذبه بدون جاذبه

آزمایش های گرانشی هنوز هم امروزه غیرقابل تصور هستند. اما تحقیقات در اواخر دهه 1990 و اوایل دهه 2000 توسط فیزیکدانان Xiangdong Ji و ماکسیم پولیاکوف فقید به طور جداگانه انجام شد. نشان داد a راه حل.

طرح کلی به شرح زیر است. هنگامی که یک الکترون را به آرامی به سمت یک پروتون شلیک می کنید، معمولاً یک فوتون را به یکی از کوارک ها می رساند و به بیرون نگاه می کند. اما در کمتر از یک در یک میلیارد رویداد، اتفاق خاصی می افتد. الکترون ورودی یک فوتون می فرستد. یک کوارک آن را جذب می کند و سپس فوتون دیگری را با ضربان قلب منتشر می کند. تفاوت اصلی این است که این رویداد نادر به جای یک فوتون شامل دو فوتون می شود - فوتون های ورودی و خروجی. محاسبات جی و پولیاکوف نشان داد که اگر آزمایش‌گران بتوانند الکترون، پروتون و فوتون حاصل را جمع‌آوری کنند، می‌توانند از انرژی‌ها و تکانه‌های این ذرات استنباط کنند که با دو فوتون چه اتفاقی افتاده است. و آن آزمایش دو فوتونی اساساً به اندازه آزمایش غیرممکن پراکندگی گراویتون آموزنده خواهد بود.

چگونه دو فوتون می توانند چیزی در مورد گرانش بدانند؟ پاسخ شامل ریاضیات تلخ است. اما فیزیکدانان دو راه برای تفکر در مورد اینکه چرا این ترفند کار می کند ارائه می دهند.

فوتون‌ها موج‌هایی در میدان الکترومغناطیسی هستند که می‌توان آن‌ها را با یک فلش یا بردار در هر مکان در فضا توصیف کرد که مقدار و جهت میدان را نشان می‌دهد. گراویتون‌ها موج‌هایی در هندسه فضا-زمان خواهند بود، میدانی پیچیده‌تر که با ترکیبی از دو بردار در هر نقطه نمایش داده می‌شود. گرفتن گراویتون به فیزیکدانان دو بردار اطلاعات می دهد. به‌طور خلاصه، دو فوتون می‌توانند برای گراویتون قرار بگیرند، زیرا آنها به طور جمعی حامل دو بردار اطلاعات هستند.

یک تفسیر جایگزین از ریاضی به شرح زیر است. در طول لحظه ای که بین زمانی که یک کوارک اولین فوتون را جذب می کند و زمانی که فوتون دوم را ساطع می کند می گذرد، کوارک مسیری را در فضا طی می کند. با کاوش در این مسیر، می‌توانیم ویژگی‌هایی مانند فشارها و نیروهایی که مسیر را احاطه کرده‌اند، بیاموزیم.

لورس گفت: «ما آزمایش گرانشی انجام نمی دهیم. اما "ما باید دسترسی غیرمستقیم به نحوه تعامل پروتون با گراویتون داشته باشیم." 

پروتون سیاره کاوشگر

فیزیکدانان آزمایشگاه جفرسون چند رویداد پراکندگی دو فوتونی را در سال 2000 با هم تراوش کردند. این اثبات مفهوم آنها را برانگیخت تا آزمایشی جدید بسازند، و در سال 2007، الکترون ها را به اندازه کافی در پروتون ها شکستند تا تقریباً 500,000 برخورد تقلید گراویتون را جمع کنند. تجزیه و تحلیل داده های تجربی یک دهه دیگر طول کشید.

این تیم از شاخص ویژگی‌های خمش فضا-زمان خود، اصطلاح گریزان دراک را استخراج کردند که منتشر کرد. برآورد آنها فشارهای داخلی پروتون در طبیعت در 2018.

آنها دریافتند که در قلب پروتون، نیروی قوی فشارهایی با شدت غیرقابل تصور ایجاد می کند - 100 میلیارد تریلیون تریلیون پاسکال، یا حدود 10 برابر فشار در قلب یک ستاره نوترونی. دورتر از مرکز، فشار کاهش می‌یابد و در نهایت به سمت داخل می‌چرخد، همانطور که برای اینکه پروتون خود را از هم جدا نکند، لازم است. برکرت گفت: "این از آزمایش بیرون می آید." "بله، یک پروتون در واقع پایدار است." (این یافته هیچ ارتباطی با آن ندارد آیا پروتون ها تجزیه می شوندبا این حال، که شامل نوع متفاوتی از بی‌ثباتی است که توسط برخی نظریه‌های گمانه‌زنی پیش‌بینی شده است.)

گروه آزمایشگاه جفرسون به تحلیل اصطلاح دراک ادامه داد. آنها تخمینی از نیروهای برشی - نیروهای داخلی که به موازات سطح پروتون رانده می شوند - به عنوان بخشی از یک بررسی منتشر کردند. منتشر شده در دسامبر. فیزیکدانان دریافتند که در نزدیکی هسته خود، پروتون نیروی پیچشی را تجربه می کند که با چرخش در جهت دیگر نزدیکتر به سطح خنثی می شود. این اندازه‌گیری‌ها همچنین بر پایداری ذره تأکید می‌کند. این پیچ و تاب ها بر اساس کار نظری شوایتزر و پولیاکوف انتظار می رفت. الوادرهیری گفت: «با این وجود، مشاهده بیرون آمدن آن از آزمایش برای اولین بار واقعاً شگفت‌انگیز است.

اکنون آنها از این ابزارها برای محاسبه اندازه پروتون به روشی جدید استفاده می کنند. در آزمایش‌های پراکندگی سنتی، فیزیکدانان مشاهده کرده بودند که بار الکتریکی ذره حدود 0.8 فمتومتر از مرکز آن گسترش می‌یابد (یعنی کوارک‌های تشکیل‌دهنده آن در آن منطقه وزوز می‌کنند). اما این «شعاع شارژ» دارای برخی ویژگی‌هاست. به عنوان مثال در مورد نوترون - همتای خنثی پروتون، که در آن دو کوارک با بار منفی تمایل دارند در اعماق ذره آویزان شوند در حالی که یک کوارک با بار مثبت زمان بیشتری را در نزدیکی سطح می گذراند - شعاع بار به صورت یک عدد منفی بیرون می آید. . این به این معنی نیست که اندازه آن منفی است. شوایتزر گفت: این فقط یک معیار وفادار نیست.

رویکرد جدید ناحیه فضا-زمان را که به طور قابل توجهی توسط پروتون منحنی شده است، اندازه گیری می کند. تیم آزمایشگاه جفرسون در یک پیش چاپ که هنوز بررسی نشده است، محاسبه کرد که این شعاع ممکن است حدود 25 درصد کوچکتر است از شعاع شارژ، فقط 0.6 فمتومتر.

محدودیت های سیاره پروتون

از نظر مفهومی، این نوع تجزیه و تحلیل، رقص تار کوارک ها را به یک جسم جامد و سیاره مانند، با فشارها و نیروهایی که بر هر ذره از حجم اعمال می کند، هموار می کند. آن سیاره یخ زده به طور کامل پروتون خشن را در تمام شکوه کوانتومی خود منعکس نمی کند، اما یک مدل مفید است. شوایتزر گفت: «این یک تفسیر است.

و فیزیکدانان تاکید می کنند که نقشه های اولیه به چند دلیل خشن هستند.

اولاً، اندازه‌گیری دقیق تانسور انرژی - تکانه به انرژی‌های برخورد بسیار بالاتری نسبت به آزمایشگاه جفرسون نیاز دارد. این تیم برای برون یابی دقیق روندها از انرژی های نسبتاً پایینی که می توانند به آنها دسترسی داشته باشند سخت کار کرده اند، اما فیزیکدانان هنوز مطمئن نیستند که این برون یابی ها چقدر دقیق هستند.

علاوه بر این، پروتون بیشتر از کوارک های آن است. همچنین حاوی گلوئون هایی است که با فشار و نیروهای خود به اطراف می چرخند. ترفند دو فوتونی نمی تواند اثرات گلوئون ها را تشخیص دهد. یک تیم جداگانه در آزمایشگاه جفرسون از یک ترفند مشابه (شامل برهمکنش دو گلوئون) برای انتشار یک نقشه گرانشی اولیه از این اثرات گلوئون در طبیعت پارسال، اما آن نیز بر اساس داده های محدود و کم انرژی بود.

یوشیتاکا هاتا، فیزیکدان آزمایشگاه ملی بروکهاون که الهام گرفته شده برای شروع مطالعه پروتون گرانشی پس از کار گروه آزمایشگاه جفرسون در سال 2018، گفت: "این اولین قدم است."

نقشه‌های گرانشی واضح‌تر از کوارک‌های پروتون و گلوئون‌های آن ممکن است در دهه 2030 و زمانی که برخورددهنده یون الکترون، آزمایشی که در حال ساخت در بروک‌هاون در حال ساخت است، ارائه شود.

در این میان، فیزیکدانان در حال انجام آزمایشات دیجیتال هستند. فیالا شاناهانیک فیزیکدان هسته ای و ذرات در موسسه فناوری ماساچوست، تیمی را رهبری می کند که رفتار کوارک ها و گلوئون ها را با شروع معادلات نیروی قوی محاسبه می کند. در سال 2019، او و همکارانش فشارها را برآورد کرد و نیروهای برشی و در ماه اکتبر آنها شعاع را تخمین زد، در میان سایر خواص. تاکنون، یافته‌های دیجیتالی آنها به طور گسترده با یافته‌های فیزیکی آزمایشگاه جفرسون همخوانی داشته است. شاناهان گفت: «من مطمئناً از سازگاری بین نتایج تجربی اخیر و داده‌های ما بسیار هیجان‌زده هستم.

حتی اجمالی تار پروتون که تاکنون به دست آمده است، درک محققان از این ذره را به آرامی تغییر داده است.

برخی از پیامدها عملی هستند. در سرن، سازمان اروپایی که برخورددهنده بزرگ هادرون، بزرگترین خردکننده پروتون جهان را اداره می‌کند، فیزیکدانان قبلاً فرض کرده بودند که در برخی از برخوردهای نادر، کوارک‌ها می‌توانند در هر نقطه‌ای از پروتون‌های در حال برخورد باشند. اما نقشه های الهام گرفته شده از گرانش نشان می دهد که کوارک ها تمایل دارند در چنین مواردی در نزدیکی مرکز آویزان شوند.

فرانسوا-خاویر ژیرود، فیزیکدان آزمایشگاه جفرسون که بر روی این آزمایش ها کار می کرد، گفت: «در حال حاضر مدل هایی که آنها در سرن استفاده می کنند به روز شده اند.

نقشه‌های جدید ممکن است راهنمایی‌هایی را برای حل یکی از عمیق‌ترین اسرار پروتون ارائه دهند: چرا اصلاً کوارک‌ها خودشان را به پروتون‌ها متصل می‌کنند. یک استدلال شهودی وجود دارد که از آنجایی که نیروی قوی بین هر جفت کوارک با دورتر شدن آنها، مانند یک نوار الاستیک، تشدید می شود، کوارک ها هرگز نمی توانند از دست رفقای خود فرار کنند.

اما پروتون ها از سبک ترین اعضای خانواده کوارک ها ساخته شده اند. و کوارک های سبک وزن را نیز می توان به عنوان امواجی طولانی در نظر گرفت که فراتر از سطح پروتون گسترش می یابند. این تصویر نشان می‌دهد که پیوند پروتون ممکن است نه از طریق کشش داخلی نوارهای الاستیک، بلکه از طریق برخی برهم‌کنش‌های خارجی بین این کوارک‌های مواج و کشیده اتفاق بیفتد. نقشه فشار جاذبه نیروی قوی را نشان می دهد که تا 1.4 فمتو متر و فراتر از آن ادامه دارد و استدلال برای چنین نظریه های جایگزین را تقویت می کند.

ژیرود گفت: «این یک پاسخ قطعی نیست، اما به این واقعیت اشاره دارد که این تصاویر ساده با نوارهای الاستیک مربوط به کوارک‌های سبک نیستند.»