A proton belsejében a „legbonyolultabb dolog, amit csak el tud képzelni”

Több mint egy évszázaddal azután, hogy Ernest Rutherford felfedezte minden atom szívében a pozitív töltésű részecskét, a fizikusok még mindig küzdenek a proton teljes megértésével.

A középiskolai fizikatanárok olyan jellegtelen golyóknak írják le őket, amelyek egy egységnyi pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek – tökéletes fóliák a körülöttük zümmögő negatív töltésű elektronok számára. A főiskolai hallgatók megtanulják, hogy a labda valójában három elemi részecskéből, úgynevezett kvarkokból álló köteg. De több évtizedes kutatás feltárt egy mélyebb igazságot, amely túl bizarr ahhoz, hogy szavakkal vagy képekkel teljes mértékben megragadja.

„Ez a legbonyolultabb dolog, amit el tud képzelni” – mondta Mike Williams, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa. – Valójában el sem tudod képzelni, milyen bonyolult ez.

A proton egy kvantummechanikai objektum, amely a valószínűségek homályaként létezik, amíg egy kísérlet rá nem kényszeríti, hogy konkrét formát öltsön. Formái pedig drasztikusan különböznek attól függően, hogy a kutatók hogyan állítják fel kísérletüket. A részecske számos arcának összekapcsolása generációk munkája. „Most kezdjük teljesen megérteni ezt a rendszert” – mondta Richard Milner, az MIT atomfizikusa.

Ahogy az üldözés folytatódik, a proton titkai folyamatosan feltárulnak. Legutóbb a monumentális adatelemzés augusztusban publikálták, hogy a proton nyomokban tartalmaz olyan részecskéket, amelyeket bájkvarknak neveznek, és amelyek nehezebbek, mint maga a proton.

A proton „alázó volt az emberek számára” – mondta Williams. "Valahányszor azt gondolod, hogy megfogod a fogást, akkor valami görbe golyót dob ​​fel."

A közelmúltban Milner a Jefferson Labnál dolgozó Rolf Enttel, Chris Boebel és Joe McMaster MIT-filmesekkel, valamint James LaPlante animátorral közösen arra vállalkozott, hogy egy olyan rejtélyes cselekménykészletet alakítsanak át, amely kísérletek százainak eredményeit az alakzat animációinak sorozatává gyűjti össze. -váltó proton. Animációikat beépítettük saját kísérletünkbe, hogy felfedjük a titkait.

A proton feltörése

1967-ben a Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) bizonyítéka volt, hogy a protonok tömegeket tartalmaznak. Korábbi kísérleteikben a kutatók elektronokkal dobálták meg, és figyelték, ahogy a biliárdgolyókként elszállnak. De a SLAC erősebben tudta kidobni az elektronokat, és a kutatók azt látták, hogy azok másképp verődnek vissza. Az elektronok elég erősen ütköztek a protonnal ahhoz, hogy széttörjék – ezt a folyamatot mély rugalmatlan szóródásnak nevezik –, és visszapattantak a proton pontszerű szilánkjairól, amelyeket kvarknak neveznek. "Ez volt az első bizonyíték arra, hogy a kvarkok valóban léteznek" - mondta Xiaochao Zheng, a Virginiai Egyetem fizikusa.

A SLAC felfedezése után, amely 1990-ben fizikai Nobel-díjat kapott, a proton vizsgálata intenzívebbé vált. A fizikusok eddig több száz szórási kísérletet végeztek. A tárgy belsejének különféle aspektusaira következtetnek azáltal, hogy beállítják, milyen erősen bombázzák azt, és kiválasztják, hogy mely szétszóródott részecskéket gyűjtsék össze utóhatásként.

Nagyobb energiájú elektronok használatával a fizikusok a cél proton finomabb tulajdonságait is ki tudják deríteni. Ily módon az elektronenergia beállítja egy mély rugalmatlan szórási kísérlet maximális felbontóképességét. A nagyobb teljesítményű részecskeütközők élesebb rálátást biztosítanak a protonra.

A nagyobb energiájú ütköztetők az ütközési kimenetelek szélesebb körét is produkálják, lehetővé téve a kutatóknak, hogy a kimenő elektronok különböző részhalmazait válasszák ki elemzésre. Ez a rugalmasság kulcsfontosságúnak bizonyult a kvarkok megértésében, amelyek különböző mértékű lendülettel törődnek a proton belsejében.

Az egyes szórt elektronok energiájának és pályájának mérésével a kutatók meg tudják állapítani, hogy egy kvarkra pillantott-e rá, amely a proton teljes lendületének nagy részét vagy csak egy szeletét hordozza. Az ismétlődő ütközések során egy cenzushoz hasonlót végezhetnek – annak meghatározására, hogy a proton lendülete többnyire néhány kvarkba kötődik-e, vagy többen oszlik el.

Még a SLAC protonhasadásos ütközései is kíméletesek voltak a mai szabványok szerint. Ezekben a szóródási eseményekben az elektronok gyakran olyan módon lövik ki, hogy azt sugallják, hogy a proton teljes lendületének egyharmadát hordozó kvarkba ütköztek. A lelet megegyezett Murray Gell-Mann és George Zweig elméletével, akik 1964-ben azt állította, hogy a proton három kvarkból áll.

Gell-Mann és Zweig „kvarkmodellje” továbbra is elegáns módja a proton elképzelésének. Két „fel” kvarkja van, egyenként +2/3 elektromos töltéssel, és egy „le” kvarkja –1/3 töltésű, így a teljes protontöltés +1.

De a kvark modell túlzott leegyszerűsítés, amelynek komoly hiányosságai vannak.

Nem működik például, ha a proton spinjéről van szó, ami a szögimpulzushoz hasonló kvantumtulajdonság. A protonnak fél egységnyi spinje van, csakúgy, mint minden felfelé és lefelé irányuló kvarkjának. A fizikusok kezdetben azt feltételezték, hogy – az egyszerű töltésaritmetikát visszhangzó számításban – a két felfelé kvark félegysége mínusz a le kvark félegysége a proton egészére vonatkoztatva. De 1988-ban az Európai Muon Együttműködés jelentett hogy a kvark forgásának összege jóval kevesebb, mint a fele. Hasonlóképpen, két up kvark és egy down kvark tömege a proton teljes tömegének csak körülbelül 1%-át teszi ki. Ezek a hiányosságok olyan pontot vittek haza, amelyet a fizikusok már kezdtek értékelni: a proton sokkal több, mint három kvark.

Sokkal több, mint három kvark

A Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), amely Hamburgban (Németország) működött 1992 és 2007 között, nagyjából ezerszer erősebben csapta az elektronokat a protonokba, mint az SLAC. A HERA-kísérletekben a fizikusok olyan elektronokat tudtak kiválasztani, amelyek rendkívül alacsony impulzusú kvarkokról vertek vissza, beleértve azokat is, amelyek a proton teljes lendületének 0.005%-át hordozzák. És észlelték is: a HERA elektronjai visszapattantak az alacsony impulzusú kvarkok és antianyag megfelelőik, az antikvarkok forgatagából.

Az eredmények megerősítették azt a kifinomult és szokatlan elméletet, amely addigra felváltotta Gell-Mann és Zweig kvarkmodelljét. Az 1970-es években fejlesztették ki, a kvarkok között ható „erős erő” kvantumelmélete. Az elmélet szerint a kvarkokat erőhordozó részecskék, az úgynevezett gluonok kötik össze. Minden kvark és gluon háromféle „színes” töltés valamelyikével rendelkezik, amelyek piros, zöld és kék jelzéssel vannak ellátva; ezek a színes töltésű részecskék természetesen rángatják egymást, és egy csoportot alkotnak – például protont –, amelyek színei semleges fehéret alkotnak. A színes elmélet kvantumkromodinamika vagy QCD néven vált ismertté.

A QCD szerint a gluonok pillanatnyi energiacsúcsokat képesek felvenni. Ezzel az energiával a gluon kvarkra és antikvarkra hasad – mindegyikük egy kis lendületet hordoz – mielőtt a pár megsemmisül és eltűnik. A kisebb energiatüskék kisebb lendületű kvarkpárokat hoznak létre, amelyek rövidebb életet élnek. Ez a gluonok, kvarkok és antikvarkok „tengere”, amelyet a HERA az alacsonyabb lendületű részecskékkel szembeni nagyobb érzékenységével első kézből észlelt.

A HERA tippeket is kapott arra vonatkozóan, hogyan nézne ki a proton erősebb ütköztetőkben. Ahogy a fizikusok a HERA-t úgy alakították át, hogy kisebb impulzusú kvarkokat keressenek, ezek a kvarkok – amelyek gluonokból származnak – egyre nagyobb számban jelentek meg. Az eredmények arra utaltak, hogy még nagyobb energiájú ütközések esetén a proton szinte teljes egészében gluonokból álló felhőként jelenik meg.

A gluon pitypang pontosan az, amit a QCD megjósolt. "A HERA adatok közvetlen kísérleti bizonyítékai annak, hogy a QCD leírja a természetet" - mondta Milner.

A fiatal elmélet győzelme azonban keserű pirulával járt: Míg a QCD gyönyörűen leírta a rövid életű kvarkok és gluonok táncát, amelyet a HERA szélsőséges ütközései tártak fel, az elmélet haszontalan a SLAC gyengéd bombázásában látott három tartós kvark megértéséhez.

A QCD előrejelzései csak akkor érthetők meg könnyen, ha az erős erő viszonylag gyenge. Az erős erő pedig csak akkor gyengül, ha a kvarkok rendkívül közel vannak egymáshoz, mivel rövid életű kvark-antikvark párokban vannak. Frank Wilczek, David Gross és David Politzer 1973-ban azonosította a QCD e meghatározó jellemzőjét, és 31 évvel később Nobel-díjat kapott.

De az olyan enyhébb ütközéseknél, mint az SLAC, ahol a proton három kvarkként működik, amelyek kölcsönösen tartják a távolságot, ezek a kvarkok elég erősen húzzák egymást ahhoz, hogy a QCD számítások lehetetlenné váljanak. Így a proton három kvark nézetének további demisztifikációja nagyrészt a kísérletezőkre hárult. (Azok a kutatók, akik „digitális kísérleteket” folytatnak, amelyekben a QCD előrejelzéseket szuperszámítógépeken szimulálják, szintén kulcsfontosságú hozzájárulások.) És ezen az alacsony felbontású képen a fizikusok folyamatosan találnak meglepetéseket.

Bájos új kilátás

Nemrég egy csapat vezette Juan Rojo A holland Nemzeti Szubatomi Fizikai Intézet és a VU University Amszterdam több mint 5,000 protonpillanatfelvételt elemzett az elmúlt 50 év során, gépi tanulás segítségével következtetni a kvarkok és gluonok mozgására a protonban oly módon, hogy elkerülje az elméleti találgatásokat.

 Az új vizsgálat elmosódott a háttérben a képeken, amelyek elkerülték a kutatókat. A viszonylag lágy ütközésekben, amelyek alig törték szét a protont, a lendület nagy része a szokásos három kvarkban volt megrekedt: két felfelé és egy lefelé. De úgy tűnt, hogy egy kis lendület egy „báj” kvarkból és egy varázslatos antikvarkból származik – kolosszális elemi részecskékből, amelyek mindegyike több mint egyharmadával meghaladja a teljes protont.

A rövid életű varázslatok gyakran megjelennek a proton „kvarktenger” nézetében (a gluonok hat különböző kvarktípus bármelyikére oszthatók, ha elegendő energiával rendelkeznek). De Rojo és munkatársai eredményei azt sugallják, hogy a bűbájok tartósabbak, így enyhébb ütközésekben is észlelhetők. Ezekben az ütközésekben a proton több állapotú kvantumkeverékként vagy szuperpozícióként jelenik meg: Egy elektron általában találkozik a három könnyűsúlyú kvarkkal. De alkalmanként találkozik egy ritkább öt kvarkból álló „molekulával”, például egy felfelé, lefelé és varázslatos kvarkkal, amelyek az egyik oldalon csoportosulnak, és egy felfelé és varázslatos antikvarkkal a másik oldalon.

A proton felépítésével kapcsolatos ilyen finom részletek következményesnek bizonyulhatnak. A Nagy Hadronütköztetőben a fizikusok új elemi részecskék után kutatnak úgy, hogy nagy sebességű protonokat ütnek össze, és megnézik, mi bukkan elő; az eredmények megértéséhez a kutatóknak először tudniuk kell, hogy mi van a protonban. Óriási bájkvarkok időnkénti megjelenése igen dobd el az esélyeket egzotikusabb részecskék előállítása.

És amikor a kozmikus sugaraknak nevezett protonok ide zúdulnak a világűrből, és protonokba csapódnak a Föld légkörében, a megfelelő pillanatokban felbukkanó bájkvarkok elárasztják a Földet. extraenergiás neutrínók2021-ben számították ki a kutatók. Ezek megzavarhatják a megfigyelőket keres a kozmoszból érkező nagyenergiájú neutrínók számára.

Rojo együttműködése azt tervezi, hogy folytatja a proton feltárását a bájkvarkok és az antikvarkok közötti egyensúlyhiány keresésével. A nehezebb összetevők, például a felső kvark pedig még ritkább és nehezebben észlelhető megjelenést kelthetnek.

A következő generációs kísérletek még több ismeretlen funkciót keresnek majd. A Brookhaven National Laboratory fizikusai azt remélik, hogy a 2030-as években begyújtják az elektron-ionütköztetőt, és ott folytatják, ahol a HERA abbahagyta, és nagyobb felbontású pillanatfelvételeket készítenek, amelyek lehetővé teszik a proton első 3D-s rekonstrukcióját. Az EIC forgó elektronokat is használ majd a belső kvarkok és gluonok spineinek részletes térképének elkészítéséhez, ahogyan a SLAC és a HERA feltérképezte lendületeiket. Ez segíteni fog a kutatóknak abban, hogy végre felderítsék a proton spinjének eredetét, és más alapvető kérdéseket is megválaszoljanak a mindennapi világunk nagy részét alkotó részecskékről.