Pyörrevoimat, murskauspaineet mitattuna protonissa | Quanta-lehti

Fyysikot ovat alkaneet tutkia protonia ikään kuin se olisi subatominen planeetta. Leikkauskartat näyttävät uusia yksityiskohtia hiukkasen sisältä. Protonin ytimessä on voimakkaampia paineita kuin missään muussa tunnetussa ainemuodossa. Puolivälissä pintaa törmäävät voimapyörteet työntyvät toisiaan vasten. Ja "planeetta" kokonaisuudessaan on pienempi kuin aiemmat kokeet ehdottivat.

Kokeelliset tutkimukset merkitsevät seuraavaa vaihetta pyrkimyksessä ymmärtää hiukkanen, joka ankkuroi jokaisen atomin ja muodostaa suurimman osan maailmasta.

"Näemme sen todella avaavana täysin uuden suunnan, joka muuttaa tapaamme tarkastella aineen perusrakennetta", sanoi Latifa Elouadrhiri, fyysikko Thomas Jefferson National Accelerator Facilityssä Newport Newsissa, Virginiassa, joka on mukana hankkeessa.

Kokeet tuovat protonille kirjaimellisesti uuden valon. Vuosikymmenten aikana tutkijat ovat kartelleet huolellisesti positiivisesti varautuneiden hiukkasten sähkömagneettisen vaikutuksen. Mutta uudessa tutkimuksessa Jefferson Labin fyysikot kartoittavat protonin gravitaatiovaikutusta - nimittäin energioiden, paineiden ja leikkausjännitysten jakautumista kauttaaltaan, mikä taivuttaa aika-avaruuskudosta hiukkasessa ja sen ympärillä. Tutkijat tekevät sen hyödyntämällä erikoista tapaa, jolla fotoniparit, valon hiukkaset, voivat jäljitellä gravitonia, oletettua hiukkasta, joka välittää painovoiman. Pingaamalla protonin fotoneilla he päättelevät epäsuorasti, kuinka painovoima olisi vuorovaikutuksessa sen kanssa, toteuttaen vuosikymmeniä vanhan unelman protonin tutkimisesta tällä vaihtoehtoisella tavalla.

"Se on tour de force", sanoi Cédric Lorcé, Ranskan Ecole Polytechniquen fyysikko, joka ei ollut mukana työhön. "Kokeellisesti se on erittäin monimutkaista." 

Fotoneista gravitoneihin

Fyysikot ovat oppineet valtavasti protonista viimeisen 70 vuoden aikana osumalla siihen toistuvasti elektroneilla. He tietävät, että sen sähkövaraus ulottuu noin 0.8 femtometriä eli metrin kvadrillijoonasosia sen keskustasta. He tietävät, että saapuvilla elektroneilla on taipumus katsoa pois yhdestä kolmesta kvarkista – alkuainehiukkasista, joilla on varauksen murto-osia – jotka sumisevat sen sisällä. He ovat myös havainneet kvanttiteorian syvästi kummallisen seurauksen, jossa voimakkaammissa törmäyksissä elektronit näyttävät kohdata vaahtoava meri koostuu paljon useammista kvarkeista sekä gluoneista, niin sanotun vahvan voiman kantajista, jotka liimaavat kvarkit yhteen.

Kaikki tämä tieto tulee yhdestä asennuksesta: Sinä amput elektronin protoniin, ja hiukkaset vaihtavat yhden fotonin – sähkömagneettisen voiman kantajan – ja työntävät toisiaan pois. Tämä sähkömagneettinen vuorovaikutus kertoo fyysikoille, kuinka kvarkit varautuneina esineinä järjestäytyvät. Mutta protonissa on paljon muutakin kuin sen sähkövaraus.

"Kuinka aine ja energia jakautuvat?" kysyi Peter Schweitzer, teoreettinen fyysikko Connecticutin yliopistosta. "Emme tiedä."

Schweitzer on viettänyt suurimman osan urastaan ​​ajatellut protonin gravitaatiopuolta. Erityisesti hän on kiinnostunut protonin ominaisuuksien matriisista, jota kutsutaan energia-momenttitensoriksi. "Energia-momenttitensori tietää kaiken, mitä hiukkasesta on tiedettävä", hän sanoi.

Albert Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa, joka heittää painovoiman vetovoiman kohteina, jotka seuraavat aika-avaruuden käyriä, energia-momenttitensori kertoo tila-ajalle, kuinka taivuttaa. Se kuvaa esimerkiksi energian (tai vastaavasti massan) järjestelyä – leijonanosan aika-avaruuden kiertymisen lähdettä. Se seuraa myös tietoa liikemäärän jakautumisesta sekä siitä, missä tapahtuu puristus tai laajeneminen, mikä voi myös hieman kaareuttaa aika-avaruutta.

Jos voisimme oppia protonia ympäröivän aika-avaruuden muodon, Venäläinen ja Amerikkalainen fyysikot itsenäisesti selvittivät 1960-luvulla, voimme päätellä kaikki sen energia-momenttitensorissa indeksoidut ominaisuudet. Niihin kuuluvat protonin massa ja spin, jotka ovat jo tiedossa, sekä protonin paineiden ja voimien järjestely, kollektiivista omaisuutta fyysikot kutsuvat "drukkitermiksi" saksan painetta tarkoittavan sanan jälkeen. Tämä termi on "yhtä tärkeä kuin massa ja spin, eikä kukaan tiedä mitä se on", Schweitzer sanoi - vaikka se alkaa muuttua.

60-luvulla näytti siltä, ​​että energia-momenttitensorin mittaaminen ja Druck-termin laskeminen vaatisi gravitaatioversion tavallisesta sirontakokeesta: Ammutat massiivisen hiukkasen protoniin ja annat näiden kahden vaihtaa gravitonin – hypoteettisen hiukkasen. joka muodostaa gravitaatioaaltoja - eikä fotonia. Mutta painovoiman äärimmäisen heikkouden vuoksi fyysikot odottavat gravitonin sironnan tapahtuvan 39 suuruusluokkaa harvemmin kuin fotonien sirontaa. Kokeilla ei mitenkään voida havaita niin heikkoa vaikutusta.

"Muistan lukeneeni tästä opiskelijana", sanoi Volker Burkert, Jefferson Lab -tiimin jäsen. Päätelmä oli, että "emme todennäköisesti koskaan pysty oppimaan mitään hiukkasten mekaanisista ominaisuuksista".

Painovoima ilman painovoimaa

Gravitaatiokokeet ovat vielä tänä päivänä mahdottomia kuvitella. Mutta 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa fyysikot Xiangdong Ji ja edesmenneen Maxim Polyakovin tutkimukset erikseen. paljasti a workaround.

Yleinen kaava on seuraava. Kun laukaisee elektronin kevyesti protonia kohti, se yleensä lähettää fotonin johonkin kvarkista ja katsoo pois. Mutta harvemmassa kuin yhdessä tapahtumassa miljardista tapahtuu jotain erityistä. Tuleva elektroni lähettää sisään fotonin. Kvarkki absorboi sen ja lähettää sitten toisen fotonin sykettä myöhemmin. Keskeinen ero on, että tämä harvinainen tapahtuma sisältää kaksi fotonia yhden sijasta - sekä saapuvia että lähteviä fotoneja. Jin ja Polyakovin laskelmat osoittivat, että jos kokeilijat voisivat kerätä tuloksena syntyneen elektronin, protonin ja fotonin, he voisivat päätellä näiden hiukkasten energioista ja liikemäärästä, mitä tapahtui kahdelle fotonille. Ja tuo kahden fotonin koe olisi pohjimmiltaan yhtä informatiivinen kuin mahdoton gravitoninsirontakoe.

Kuinka kaksi fotonia voisi tietää mitään painovoimasta? Vastaus liittyy räikeään matematiikkaan. Mutta fyysikot tarjoavat kaksi tapaa ajatella, miksi temppu toimii.

Fotonit ovat sähkömagneettisen kentän aaltoja, joita voidaan kuvata yhdellä nuolella tai vektorilla, jokaisessa paikassa avaruudessa, joka osoittaa kentän arvon ja suunnan. Gravitonit olisivat aaltoilua aika-avaruusgeometriassa, monimutkaisempi kenttä, jota edustaa kahden vektorin yhdistelmä jokaisessa pisteessä. Gravitonin vangitseminen antaisi fyysikoille kaksi informaatiovektoria. Sen lisäksi kaksi fotonia voi korvata gravitonin, koska ne myös kuljettavat yhdessä kahta informaatiovektoria.

Vaihtoehtoinen matematiikan tulkinta on seuraava. Sinä hetkenä, joka kuluu sen välillä, kun kvarkki absorboi ensimmäisen fotonin ja kun se emittoi toista, kvarkki seuraa polkua avaruuden halki. Tutkimalla tätä polkua voimme oppia ominaisuuksia, kuten polkua ympäröivät paineet ja voimat.

"Emme tee gravitaatiokoetta", Lorcé sanoi. Mutta "meidän pitäisi saada epäsuora pääsy siihen, kuinka protonin tulisi olla vuorovaikutuksessa gravitonin kanssa." 

Proponing Planet Proton

Jefferson Labin fyysikot raapivat yhteen muutaman kahden fotonin sirontatapahtuman vuonna 2000. Tämä konseptin todiste motivoi heitä rakentamaan uuden kokeen, ja vuonna 2007 he murskasivat elektroneja protoneiksi tarpeeksi monta kertaa kerätäkseen noin 500,000 XNUMX gravitonia jäljittelevää törmäystä. Kokeellisten tietojen analysointi kesti vielä vuosikymmenen.

Avaruus-aika-taivuttavien ominaisuuksien indeksistään ryhmä poimi vaikeaselkoisen Druck-termin, julkaisu heidän arvionsa protonin sisäisistä paineista luonto vuonna 2018.

He havaitsivat, että protonin sydämessä voimakas voima synnyttää käsittämättömän intensiteetin paineita – 100 miljardia biljoonaa biljoonaa pascalia eli noin 10 kertaa neutronitähden sydämessä olevaa painetta. Kauempana keskustasta paine laskee ja lopulta kääntyy sisäänpäin, jotta protoni ei hajoaisi itseään. "Tämä tulee kokeesta", Burkert sanoi. "Kyllä, protoni on itse asiassa vakaa." (Tällä löydöllä ei ole merkitystä hajoavatko protonitkuitenkin, johon liittyy erilainen epävakaus, jota jotkut spekulatiiviset teoriat ennustavat.)

Jefferson Lab -ryhmä jatkoi Druck-termin analysointia. He julkaisivat arvion leikkausvoimista - sisäisistä voimista, jotka työntyvät yhdensuuntaisesti protonin pinnan kanssa - osana tarkistusta julkaistu joulukuussa. Fyysikot havaitsivat, että protoni kokee lähellä ydintään vääntymisvoimaa, joka neutraloituu kiertyessä toiseen suuntaan lähempänä pintaa. Nämä mittaukset korostavat myös hiukkasen stabiilisuutta. Käänteitä oli odotettu Schweitzerin ja Polyakovin teoreettisen työn perusteella. "Kuitenkin sen näkeminen kokeesta ensimmäistä kertaa on todella hämmästyttävää", Elouadrhiri sanoi.

Nyt he käyttävät näitä työkaluja protonin koon laskemiseen uudella tavalla. Perinteisissä sirontakokeissa fyysikot olivat havainneet, että hiukkasen sähkövaraus ulottuu noin 0.8 femtometriä sen keskustasta (eli sen muodostavat kvarkit surisevat tällä alueella). Mutta sillä "lataussäteellä" on joitain omituisia piirteitä. Esimerkiksi neutronin tapauksessa - protonin neutraalissa vastineessa, jossa kahdella negatiivisesti varautuneella kvarkilla on taipumus roikkua syvällä hiukkasen sisällä, kun taas yksi positiivisesti varautunut kvarkki viettää enemmän aikaa pinnan lähellä - varauksen säde tulee ulos negatiivisena numerona. . "Se ei tarkoita, että koko on negatiivinen; se ei vain ole uskollinen mitta”, Schweitzer sanoi.

Uusi lähestymistapa mittaa aika-avaruuden aluetta, jota protoni kaaree merkittävästi. Preprintissä, jota ei ole vielä vertaisarvioitu, Jefferson Lab -tiimi laski, että tämä säde saattaa olla noin 25 % pienempi kuin lataussäde, vain 0.6 femtometriä.

Planeetan protonien rajat

Käsitteellisesti tällainen analyysi tasoittaa kvarkkien epäselvän tanssin kiinteäksi, planeettakaltaiseksi esineeksi, jossa paineet ja voimat vaikuttavat jokaiseen tilavuushippuun. Tuo jäätynyt planeetta ei täysin heijasta räyhää protonia kaikessa kvanttikirkkaudessaan, mutta se on hyödyllinen malli. "Se on tulkinta", Schweitzer sanoi.

Ja fyysikot painottavat, että alkuperäiset kartat ovat karkeita muutamista syistä.

Ensinnäkin energia-momenttitensorin tarkka mittaaminen vaatisi paljon suurempia törmäysenergioita kuin mitä Jefferson Lab pystyy tuottamaan. Ryhmä on työskennellyt kovasti ekstrapoloidakseen trendejä suhteellisen alhaisista energioista, joita he voivat käyttää, mutta fyysikot ovat edelleen epävarmoja, kuinka tarkkoja nämä ekstrapolaatiot ovat.

Lisäksi protoni on enemmän kuin sen kvarkit; se sisältää myös gluoneja, jotka sylkivät ympäriinsä omilla paineillaan ja voimillaan. Kahden fotonin temppu ei pysty havaitsemaan gluonien vaikutuksia. Jefferson Labin erillinen tiimi käytti analogista temppua (johon sisältyi kaksoisgluonin vuorovaikutus) julkaistakseen alustavan gravitaatiokartan näistä gluonivaikutuksista luonto viime vuonna, mutta sekin perustui rajallisiin, vähän energiaa kuluttaviin tietoihin.

"Se on ensimmäinen askel", sanoi Brookhaven National Laboratoryn fyysikko Yoshitaka Hatta, joka innostui aloittamaan gravitaatioprotonin tutkimisen Jefferson Lab -ryhmän vuoden 2018 työn jälkeen.

Terävämmät gravitaatiokartat sekä protonin kvarkeista että sen gluoneista saattavat tulla 2030-luvulla, kun Brookhavenissa parhaillaan rakenteilla oleva elektroni-ionitörmäitin ​​aloittaa toimintansa.

Sillä välin fyysikot vievät eteenpäin digitaalisia kokeita. Phiala Shanahan, ydin- ja hiukkasfyysikko Massachusetts Institute of Technologysta, johtaa ryhmää, joka laskee kvarkkien ja gluonien käyttäytymistä vahvan voiman yhtälöistä lähtien. Vuonna 2019 hän ja hänen yhteistyökumppaninsa arvioi paineita ja leikkausvoimat, ja lokakuussa ne arvioi säteen, muiden ominaisuuksien joukossa. Toistaiseksi heidän digitaaliset löydöksensä ovat suurelta osin linjassa Jefferson Labin fyysisten löydösten kanssa. "Olen todella innoissani viimeaikaisten kokeellisten tulosten ja tietojemme välisestä johdonmukaisuudesta", Shanahan sanoi.

Jopa tähän mennessä saavutetut epäselvät välähdykset protonista ovat varovasti muokanneet tutkijoiden ymmärrystä hiukkasesta.

Jotkut seuraukset ovat käytännöllisiä. CERN:ssä, eurooppalaisessa organisaatiossa, joka pyörittää Large Hadron Collider -laitetta, maailman suurinta protonimurskaajaa, fyysikot olivat aiemmin olettaneet, että tietyissä harvinaisissa törmäyksissä kvarkit voisivat olla missä tahansa törmäävien protonien sisällä. Mutta gravitaatiovaikutteiset kartat viittaavat siihen, että kvarkeilla on tällaisissa tapauksissa taipumus roikkua lähellä keskustaa.

"CERNissä käyttämänsä mallit on jo päivitetty", sanoi Francois-Xavier Girod, Jefferson Labin fyysikko, joka työskenteli kokeissa.

Uudet kartat voivat myös tarjota opastusta yhden protonin syvimmistä mysteereistä: miksi kvarkit ylipäätään sitoutuvat protoneiksi. On olemassa intuitiivinen väite, jonka mukaan kvarkit eivät voi koskaan paeta tovereitaan, koska jokaisen kvarkkiparin välinen voimakas voima voimistuu, kun ne eroavat toisistaan, kuten elastinen nauha.

Mutta protonit valmistetaan kvarkkiperheen kevyimmistä jäsenistä. Kevyitä kvarkkeja voidaan myös pitää pitkinä aaltoina, jotka ulottuvat protonin pinnan ulkopuolelle. Tämä kuva viittaa siihen, että protonin sitoutuminen ei voi tapahtua elastisten nauhojen sisäisen vetämällä, vaan jonkin ulkoisen vuorovaikutuksen kautta näiden aaltoilevien, venyneiden kvarkkien välillä. Painekartta osoittaa vahvan voiman vetovoiman, joka ulottuu aina 1.4 femtometriin ja sen yli, mikä vahvistaa argumentteja tällaisten vaihtoehtoisten teorioiden puolesta.

"Se ei ole varma vastaus", Girod sanoi, "mutta se viittaa siihen tosiasiaan, että nämä yksinkertaiset kuvat, joissa on kuminauhat, eivät ole merkityksellisiä kevyille kvarkeille."