Protonin sisällä "monimutkaisin asia, jonka voit kuvitella"

Yli vuosisata sen jälkeen, kun Ernest Rutherford löysi positiivisesti varautuneen hiukkasen jokaisen atomin sydämessä, fyysikot kamppailevat edelleen protonin ymmärtämisessä.

Lukion fysiikan opettajat kuvailevat niitä omituisiksi palloiksi, joissa kussakin on yksi yksikkö positiivista sähkövarausta – täydellinen kalvo negatiivisesti varautuneille elektroneille, jotka surisevat ympärillään. Yliopisto-opiskelijat oppivat, että pallo on itse asiassa kolmen alkeishiukkasen nippu, jota kutsutaan kvarkeiksi. Mutta vuosikymmeniä kestänyt tutkimus on paljastanut syvemmän totuuden, joka on liian outoa vangittavaksi täysin sanoin tai kuvin.

"Tämä on monimutkaisin asia, jonka voit kuvitella", sanoi Mike Williams, fyysikko Massachusetts Institute of Technologysta. "Itse asiassa et voi edes kuvitella, kuinka monimutkaista se on."

Protoni on kvanttimekaaninen esine, joka on olemassa todennäköisyyksien hämäränä, kunnes koe pakottaa sen ottamaan konkreettisen muodon. Ja sen muodot vaihtelevat rajusti riippuen siitä, kuinka tutkijat ovat asettaneet kokeilunsa. Hiukkasen monien kasvojen yhdistäminen on ollut sukupolvien työtä. "Olemme tavallaan vasta alkamassa ymmärtää tätä järjestelmää täydellisesti", sanoi Richard Milner, MIT:n ydinfyysikko.

Kun takaa-ajo jatkuu, protonin salaisuudet paljastuvat jatkuvasti. Viimeksi a monumentaalinen data-analyysi elokuussa julkaistiin, että protoni sisältää jäämiä hiukkasista, joita kutsutaan charmikvarkeiksi ja jotka ovat raskaampia kuin protoni itse.

Protoni "on ollut nöyryyttävä ihmisille", Williams sanoi. "Joka kerta, kun luulet, että sinulla on sellainen kahva, se heittelee sinulle kurvipalloja."

Äskettäin Milner yhdessä Jefferson Labin Rolf Entin, MIT-elokuvantekijöiden Chris Boebelin ja Joe McMasterin sekä animaattori James LaPlanten kanssa aikoivat muuttaa sarjan salaperäisiä juoni, joka kokoaa satojen kokeiden tulokset sarjaksi animaatioita. -siirtyvä protoni. Olemme sisällyttäneet heidän animaationsa omaan yritykseemme paljastaa sen salaisuudet.

Protonin murtaminen

Todiste siitä, että protoni sisältää suuria määriä, saatiin Stanfordin Linear Accelerator Centeristä (SLAC) vuonna 1967. Aiemmissa kokeissa tutkijat olivat heittäneet sitä elektroneilla ja katsoneet niiden kiihoavan kuin biljardipallot. Mutta SLAC voisi heittää elektroneja voimakkaammin, ja tutkijat näkivät, että ne pomppasivat takaisin eri tavalla. Elektronit osuivat protoniin tarpeeksi lujasti rikkoakseen sen - prosessia, jota kutsutaan syväksi joustamattomaksi siroamiseksi - ja pomppasivat pistemäisistä protonin sirpaleista, joita kutsutaan kvarkeiksi. "Se oli ensimmäinen todiste kvarkien olemassaolosta", sanoi Xiaochao Zheng, fyysikko Virginian yliopistosta.

SLAC:n löydön jälkeen, joka voitti Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1990, protonin valvonta tehostui. Fyysikot ovat tehneet satoja sirontakokeita tähän mennessä. He päättelevät esineen sisäpuolen eri puolia säätämällä sitä, kuinka voimakkaasti he pommittavat sitä ja valitsemalla, mitä hajallaan olevia hiukkasia he keräävät jälkimainingeissa.

Käyttämällä korkeamman energian elektroneja fyysikot voivat löytää kohdeprotonin hienompia piirteitä. Tällä tavalla elektronienergia asettaa syvän joustamattoman sironnan kokeen suurimman erotuskyvyn. Tehokkaammat hiukkasten törmäyslaitteet tarjoavat terävämmän kuvan protonista.

Suuremman energian törmäyskoneet tuottavat myös laajemman joukon törmäystuloksia, jolloin tutkijat voivat valita lähtevien elektronien eri osajoukot analysoitaviksi. Tämä joustavuus on osoittautunut avainasemaksi kvarkkien ymmärtämisessä, jotka välittävät protonin sisällä eri vauhdilla.

Mittaamalla kunkin sironneen elektronin energian ja liikeradan tutkijat voivat kertoa, onko se katsonut kvarkista, joka kantaa suuren osan protonin kokonaisliikemäärästä vai vain pienen osan. Toistuvien törmäysten seurauksena ne voivat tehdä jotain laskentaa - määrittää, onko protonin liikemäärä enimmäkseen sidottu muutamaan kvarkkiin vai jakautunut moniin.

Jopa SLAC:n protonien halkeamat törmäykset olivat lempeitä nykystandardien mukaan. Näissä sirontatapahtumissa elektronit lensivät usein ulos tavoilla, jotka viittaavat siihen, että ne olivat törmänneet kvarkeihin, jotka kantavat kolmanneksen protonin kokonaismäärästä. Löytö vastasi Murray Gell-Mannin ja George Zweigin teoriaa, jotka vuonna 1964 väittivät, että protoni koostuu kolmesta kvarkista.

Gell-Mannin ja Zweigin "kvarkkimalli" on edelleen tyylikäs tapa kuvitella protoni. Siinä on kaksi "ylös" kvarkkia, joiden sähkövaraus on +2/3, ja yksi "alas" kvarkki, jonka varaus on -1/3, jolloin protonien kokonaisvaraus on +1.

Mutta kvarkkimalli on liiallinen yksinkertaistus, jossa on vakavia puutteita.

Se epäonnistuu esimerkiksi protonin spinissä, joka on kulmamomentin kanssa analoginen kvanttiominaisuus. Protonilla on puoli spinyksikköä, kuten jokaisella sen ylös- ja alas-kvarkilla. Fyysikot olettivat alun perin, että - yksinkertaista varausaritmetiikkaa toistavassa laskelmassa - kahden ylös-kvarkin puoliyksiköiden miinus alas-kvarkin puoliyksikkö on oltava yhtä suuri kuin puoli yksikköä protonille kokonaisuutena. Mutta vuonna 1988 European Muon Collaboration raportoitu että kvarkkikierrosten summa on paljon vähemmän kuin puolet. Vastaavasti kahden yläkvarkin ja yhden alaskvarkin massat muodostavat vain noin 1 % protonin kokonaismassasta. Nämä puutteet ajoivat kotiin pisteen, jonka fyysikot olivat jo alkaneet arvostaa: protoni on paljon enemmän kuin kolme kvarkkia.

Paljon enemmän kuin kolme kvarkkia

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), joka toimi Hampurissa, Saksassa, vuosina 1992–2007, iski elektroneja protoneihin noin tuhat kertaa voimakkaammin kuin SLAC. HERA-kokeissa fyysikot pystyivät valitsemaan elektroneja, jotka olivat pomppineet pois erittäin alhaisen liikemäärän kvarkeista, mukaan lukien ne, jotka kantavat vain 0.005 % protonin kokonaisliikemäärästä. Ja he havaitsivat ne: HERA:n elektronit pomppasivat pieniliikenteisten kvarkkien ja niiden antimatterivastineiden, antikvarkkien, pyörteestä.

Tulokset vahvistivat hienostuneen ja omituisen teorian, joka oli siihen mennessä korvannut Gell-Mannin ja Zweigin kvarkkimallin. Se kehitettiin 1970-luvulla, ja se oli kvanttiteoria "vahvasta voimasta", joka toimii kvarkkien välillä. Teoria kuvaa kvarkeja gluoneiksi kutsuttujen voimaa kuljettavien hiukkasten köyttämäksi yhteen. Jokaisella kvarkilla ja jokaisella gluonilla on yksi kolmesta "väri"-varauksesta, merkitty punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi; nämä värivaratut hiukkaset tarttuvat luonnollisesti toisiinsa ja muodostavat ryhmän – kuten protonin – jonka värit muodostavat neutraalin valkoisen. Värikäs teoria tunnettiin nimellä kvanttikromodynamiikka tai QCD.

QCD:n mukaan gluonit voivat poimia hetkellisiä energiapiikkejä. Tällä energialla gluoni hajoaa kvarkiksi ja antikvarkiksi – joista kummallakin on pieni vauhti – ennen kuin pari tuhoutuu ja katoaa. Pienemmät energiapiikit tuottavat pienemmän liikemäärän omaavia kvarkkipareja, jotka elävät lyhyemmin. Tämän gluonien, kvarkkien ja antikvarkkien "meren" HERA havaitsi ensi käden herkkyydellä alhaisemman liikemäärän hiukkasille.

HERA poimi myös vihjeitä siitä, miltä protoni näyttäisi tehokkaammissa törmäyskoneissa. Kun fyysikot säätelivät HERAa etsimään pienemmän liikemäärän kvarkkeja, näitä kvarkkeja - jotka ovat peräisin gluoneista - ilmaantui yhä enemmän. Tulokset viittaavat siihen, että jopa korkeamman energian törmäyksissä protoni näyttäytyisi lähes kokonaan gluoneista koostuvana pilvenä.

Gluon-voikukka on juuri sitä, mitä QCD ennustaa. "HERAn tiedot ovat suoria kokeellisia todisteita siitä, että QCD kuvaa luontoa", Milner sanoi.

Mutta nuoren teorian voitto tuli katkeralla pillerillä: Vaikka QCD kuvasi kauniisti lyhytikäisten kvarkkien ja gluonien tanssia, joka paljastettiin HERA:n äärimmäisissä törmäyksissä, teoria on hyödytön SLAC:n lempeässä pommituksessa nähtyjen kolmen pitkäkestoisen kvarkin ymmärtämiseen.

QCD:n ennusteet on helppo ymmärtää vain, kun vahva voima on suhteellisen heikko. Ja vahva voima heikkenee vain, kun kvarkit ovat erittäin lähellä toisiaan, koska ne ovat lyhytikäisiä kvarkki-antikvarkki-pareja. Frank Wilczek, David Gross ja David Politzer tunnistivat tämän QCD:n määrittävän piirteen vuonna 1973 ja voittivat siitä Nobel-palkinnon 31 vuotta myöhemmin.

Mutta lievemmissä törmäyksissä, kuten SLAC:issa, joissa protoni toimii kuin kolme kvarkkia, jotka pitävät toisistaan ​​etäisyyttä, nämä kvarkit vetivät toisiaan tarpeeksi voimakkaasti, jotta QCD-laskelmat muuttuvat mahdottomaksi. Siten tehtävä kolmen kvarkin protonin näkemyksen mystifioimiseksi edelleen on langennut suurelta osin kokeellisten käsiin. (Tutkijat, jotka suorittavat "digitaalisia kokeita", joissa QCD-ennusteita simuloidaan supertietokoneilla, ovat myös tehneet tärkeimmät panokset.) Ja juuri tästä matalaresoluutioisesta kuvasta fyysikot löytävät yllätyksiä.

Viehättävä uusi näkymä

Äskettäin johtama tiimi Juan Rojo Alankomaiden National Institute for Subatomic Physics ja VU University Amsterdam analysoivat yli 5,000 50 protonikuvaa viimeisen XNUMX vuoden aikana käyttämällä koneoppimista päätelläkseen kvarkkien ja gluonien liikkeitä protonin sisällä tavalla, joka ohittaa teoreettiset arvaukset.

 Uusi tarkastelu poimi taustasumennuksen kuviin, jotka olivat karanneet aiempia tutkijoita. Suhteellisen pehmeissä törmäyksissä, jotka tuskin rikkoivat protonin auki, suurin osa vauhdista lukittui tavalliseen kolmeen kvarkkiin: kahteen nousuun ja alas. Mutta pieni määrä vauhtia näytti tulevan "viehättävästä" kvarkista ja viehätysantikvarkista - kolossaaleista alkuainehiukkasista, joista jokainen painaa yli kolmanneksella koko protonin.

Lyhytikäiset hurmat näkyvät usein protonin "kvarkkimeren" näkymässä (gluonit voivat jakautua mihin tahansa kuudesta eri kvarkkityypistä, jos niillä on tarpeeksi energiaa). Mutta Rojon ja kollegoiden tulokset viittaavat siihen, että hurmat ovat pysyvämmin läsnä, mikä tekee niistä havaittavissa kevyemmissä törmäyksissä. Näissä törmäyksissä protoni esiintyy useiden tilojen kvantiseoksena tai superpositiona: Elektroni kohtaa yleensä kolme kevyttä kvarkkia. Mutta toisinaan se kohtaa harvinaisemman viiden kvarkin ”molekyylin”, kuten ylös-, alas- ja charmikvarkin, joka on ryhmitelty toiselle puolelle ja up-kvarkki- ja charmantikvarkki toiselle puolelle.

Tällaiset hienovaraiset yksityiskohdat protonin rakenteesta voivat osoittautua seurauksiksi. Large Hadron Colliderissa fyysikot etsivät uusia alkuainehiukkasia lyömällä nopeita protoneja yhteen ja katsomalla mitä sieltä tulee ulos. Tulosten ymmärtämiseksi tutkijoiden on aluksi tiedettävä, mitä protonissa on. Jättiläisten viehätyskvarkkien satunnainen ilmestyminen tekisi heittää pois kertoimet tehdä eksoottisempia hiukkasia.

Ja kun kosmisiksi säteiksi kutsutut protonit syöksyvät tänne ulkoavaruudesta ja iskevät maapallon ilmakehässä oleviin protoneihin, oikeilla hetkillä esiin nousevat viehätyskvarkit levittäisivät Maata ylivoimaiset neutriinot, tutkijat laskivat vuonna 2021. Nämä voivat hämmentää tarkkailijoita haku korkeaenergisille neutriinoille, jotka tulevat kosmoksen toiselta puolelta.

Rojon yhteistyö suunnittelee jatkavansa protonin tutkimista etsimällä epätasapainoa viehätyskvarkkien ja antikvarkkien välillä. Ja raskaammat ainesosat, kuten huippukvarkki, voivat tehdä jopa harvinaisempia ja vaikeammin havaittavia esiintymiä.

Seuraavan sukupolven kokeiluissa etsitään vielä lisää tuntemattomia ominaisuuksia. Brookhaven National Laboratoryn fyysikot toivovat voivansa käynnistää elektroni-ionitörmäyttimen 2030-luvulla ja jatkaa siitä, mihin HERA jäi, ottamalla korkeamman resoluution tilannekuvia, jotka mahdollistavat protonin ensimmäiset 3D-rekonstruktiot. EIC käyttää myös pyöriviä elektroneja luodakseen yksityiskohtaisia ​​karttoja sisäisten kvarkkien ja gluonien spineistä, aivan kuten SLAC ja HERA kartoittivat vauhtinsa. Tämän pitäisi auttaa tutkijoita vihdoin selvittämään protonin pyörimisen alkuperä ja käsittelemään muita peruskysymyksiä hämmentävästä hiukkasesta, joka muodostaa suurimman osan jokapäiväisestä maailmasta.