Di dalam Proton, 'Hal Paling Rumit yang Mungkin Bisa Anda Bayangkan'

Lebih dari satu abad setelah Ernest Rutherford menemukan partikel bermuatan positif di jantung setiap atom, fisikawan masih berjuang untuk sepenuhnya memahami proton.

Guru fisika sekolah menengah menggambarkannya sebagai bola tanpa sifat dengan masing-masing satu unit muatan listrik positif — lapisan sempurna untuk elektron bermuatan negatif yang berdengung di sekitar mereka. Mahasiswa mengetahui bahwa bola sebenarnya adalah kumpulan dari tiga partikel dasar yang disebut quark. Tetapi penelitian selama beberapa dekade telah mengungkapkan kebenaran yang lebih dalam, yang terlalu aneh untuk ditangkap sepenuhnya dengan kata-kata atau gambar.

"Ini adalah hal yang paling rumit yang mungkin bisa Anda bayangkan," kata Mike Williams, seorang fisikawan di Massachusetts Institute of Technology. “Faktanya, Anda bahkan tidak bisa membayangkan betapa rumitnya itu.”

Proton adalah objek mekanika kuantum yang ada sebagai kabut probabilitas sampai eksperimen memaksanya untuk mengambil bentuk konkret. Dan bentuknya berbeda secara drastis tergantung pada bagaimana peneliti mengatur eksperimen mereka. Menghubungkan banyak wajah partikel telah menjadi pekerjaan dari generasi ke generasi. “Kami baru mulai memahami sistem ini secara lengkap,” kata Richard Milner, seorang fisikawan nuklir di MIT.

Saat pengejaran berlanjut, rahasia proton terus terbongkar. Baru-baru ini, analisis data yang monumental diterbitkan pada bulan Agustus menemukan bahwa proton mengandung jejak partikel yang disebut quark pesona yang lebih berat dari proton itu sendiri.

Proton "telah merendahkan manusia," kata Williams. "Setiap kali Anda berpikir Anda memiliki pegangan di atasnya, itu membuat Anda kehilangan bola."

Baru-baru ini, Milner, bersama dengan Rolf Ent di Jefferson Lab, pembuat film MIT Chris Boebel dan Joe McMaster, dan animator James LaPlante, berangkat untuk mengubah satu set plot misterius yang mengkompilasi hasil ratusan percobaan menjadi serangkaian animasi bentuk -pergeseran proton Kami telah memasukkan animasi mereka ke dalam upaya kami sendiri untuk mengungkap rahasianya.

Cracking Buka Proton

Bukti bahwa proton mengandung banyak sekali datang dari Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) pada tahun 1967. Dalam percobaan sebelumnya, para peneliti telah melemparinya dengan elektron dan menyaksikannya memantul seperti bola bilyar. Tapi SLAC bisa melemparkan elektron lebih kuat, dan peneliti melihat bahwa mereka memantul kembali secara berbeda. Elektron memukul proton cukup keras untuk menghancurkannya - sebuah proses yang disebut hamburan inelastis dalam - dan memantul dari pecahan proton seperti titik yang disebut quark. “Itu adalah bukti pertama bahwa quark benar-benar ada,” kata Xiaochao Zheng, seorang fisikawan di University of Virginia.

Setelah penemuan SLAC, yang memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1990, penelitian proton diintensifkan. Fisikawan telah melakukan ratusan eksperimen hamburan hingga saat ini. Mereka menyimpulkan berbagai aspek interior objek dengan menyesuaikan seberapa kuat mereka membombardirnya dan dengan memilih partikel tersebar mana yang mereka kumpulkan setelahnya.

Dengan menggunakan elektron berenergi lebih tinggi, fisikawan dapat menemukan fitur yang lebih baik dari proton target. Dengan cara ini, energi elektron menetapkan daya penyelesaian maksimum dari eksperimen hamburan inelastis dalam. Penumbuk partikel yang lebih kuat menawarkan pandangan proton yang lebih tajam.

Penumbuk berenergi lebih tinggi juga menghasilkan rangkaian hasil tumbukan yang lebih luas, memungkinkan para peneliti memilih subset berbeda dari elektron keluar untuk dianalisis. Fleksibilitas ini telah membuktikan kunci untuk memahami quark, yang bergerak di dalam proton dengan jumlah momentum yang berbeda.

Dengan mengukur energi dan lintasan setiap elektron yang tersebar, para peneliti dapat mengetahui apakah ia telah melirik quark yang membawa sebagian besar momentum total proton atau hanya sedikit. Melalui tumbukan berulang, mereka dapat mengambil sesuatu seperti sensus — menentukan apakah momentum proton sebagian besar terikat pada beberapa quark, atau didistribusikan ke banyak quark.

Bahkan tabrakan pemecah proton SLAC tergolong lembut menurut standar saat ini. Dalam peristiwa hamburan itu, elektron sering ditembakkan dengan cara yang menunjukkan bahwa mereka telah menabrak quark yang membawa sepertiga dari total momentum proton. Temuan ini sesuai dengan teori dari Murray Gell-Mann dan George Zweig, yang pada tahun 1964 mengemukakan bahwa sebuah proton terdiri dari tiga quark.

"Model quark" Gell-Mann dan Zweig tetap merupakan cara yang elegan untuk membayangkan proton. Ia memiliki dua quark "naik" dengan muatan listrik masing-masing +2/3 dan satu quark "turun" dengan muatan 1/3, dengan total muatan proton +1.

Tetapi model quark adalah penyederhanaan yang berlebihan yang memiliki kekurangan serius.

Ini gagal, misalnya, ketika datang ke spin proton, properti kuantum analog dengan momentum sudut. Proton memiliki setengah unit putaran, seperti halnya masing-masing quark atas dan bawahnya. Fisikawan awalnya mengira bahwa — dalam perhitungan yang menggemakan aritmatika muatan sederhana — setengah unit dari dua quark atas dikurangi quark bawah harus sama dengan setengah unit untuk proton secara keseluruhan. Tetapi pada tahun 1988, Kolaborasi Muon Eropa melaporkan bahwa putaran quark berjumlah jauh lebih sedikit dari setengahnya. Demikian pula, massa dua quark atas dan satu quark bawah hanya terdiri dari sekitar 1% dari total massa proton. Defisit-defisit ini membawa pulang sebuah titik yang telah disadari oleh para fisikawan: Proton lebih dari tiga quark.

Lebih dari Tiga Quark

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), yang beroperasi di Hamburg, Jerman, dari tahun 1992 hingga 2007, menghantam elektron menjadi proton kira-kira seribu kali lebih kuat daripada yang dimiliki SLAC. Dalam percobaan HERA, fisikawan dapat memilih elektron yang telah memantul dari quark dengan momentum sangat rendah, termasuk yang membawa sedikitnya 0.005% dari total momentum proton. Dan mendeteksi mereka, mereka melakukannya: elektron HERA memantul dari pusaran quark dengan momentum rendah dan rekan antimateri mereka, antiquark.

Hasilnya menegaskan teori canggih dan aneh yang saat itu menggantikan model quark Gell-Mann dan Zweig. Dikembangkan pada 1970-an, itu adalah teori kuantum tentang "kekuatan kuat" yang bekerja di antara quark. Teori ini menggambarkan quark sebagai diikat bersama oleh partikel pembawa gaya yang disebut gluon. Setiap quark dan setiap gluon memiliki satu dari tiga jenis muatan “warna”, berlabel merah, hijau dan biru; partikel bermuatan warna ini secara alami menarik satu sama lain dan membentuk kelompok — seperti proton — yang warnanya bertambah menjadi putih netral. Teori warna-warni kemudian dikenal sebagai kromodinamika kuantum, atau QCD.

Menurut QCD, gluon dapat mengambil lonjakan energi sesaat. Dengan energi ini, gluon terpecah menjadi quark dan antiquark — masing-masing membawa sedikit momentum — sebelum pasangan itu musnah dan menghilang. Lonjakan energi yang lebih kecil menghasilkan pasangan quark dengan momentum yang lebih rendah, yang hidup lebih pendek. "Lautan" gluon, quark, dan antiquark inilah yang dideteksi secara langsung oleh HERA, dengan sensitivitasnya yang lebih besar terhadap partikel dengan momentum rendah.

HERA juga mengambil petunjuk tentang seperti apa bentuk proton di Collider yang lebih kuat. Ketika fisikawan menyesuaikan HERA untuk mencari quark dengan momentum lebih rendah, quark ini — yang berasal dari gluon — muncul dalam jumlah yang semakin banyak. Hasilnya menunjukkan bahwa dalam tumbukan berenergi lebih tinggi, proton akan muncul sebagai awan yang hampir seluruhnya terdiri dari gluon.

Dandelion gluon persis seperti yang diprediksi QCD. “Data HERA adalah bukti eksperimental langsung bahwa QCD menggambarkan alam,” kata Milner.

Tapi kemenangan teori muda datang dengan pil pahit: Sementara QCD dengan indah menggambarkan tarian quark dan gluon berumur pendek yang terungkap oleh tabrakan ekstrem HERA, teori itu tidak berguna untuk memahami tiga quark tahan lama yang terlihat dalam pemboman lembut SLAC.

Prediksi QCD mudah dipahami hanya ketika gaya kuat relatif lemah. Dan gaya kuat melemah hanya ketika quark sangat berdekatan, karena mereka berada dalam pasangan quark-antiquark yang berumur pendek. Frank Wilczek, David Gross dan David Politzer mengidentifikasi fitur yang menentukan QCD ini pada tahun 1973, memenangkan Hadiah Nobel untuk itu 31 tahun kemudian.

Tetapi untuk tumbukan yang lebih lembut seperti SLAC, di mana proton bertindak seperti tiga quark yang saling menjaga jarak, quark ini menarik satu sama lain cukup kuat sehingga perhitungan QCD menjadi tidak mungkin. Dengan demikian, tugas untuk mengungkap lebih lanjut pandangan tiga quark dari proton sebagian besar jatuh ke tangan para eksperimentalis. (Para peneliti yang menjalankan “eksperimen digital”, di mana prediksi QCD disimulasikan pada superkomputer, juga telah membuat kontribusi kunci.) Dan dalam gambar beresolusi rendah inilah fisikawan terus menemukan kejutan.

Pemandangan Baru yang Menawan

Baru-baru ini, sebuah tim yang dipimpin oleh Juan Rojo National Institute for Subatomic Physics di Belanda dan VU University Amsterdam menganalisis lebih dari 5,000 foto proton yang diambil selama 50 tahun terakhir, menggunakan pembelajaran mesin untuk menyimpulkan gerakan quark dan gluon di dalam proton dengan cara yang menghindari dugaan teoretis.

 Pemeriksaan baru mengambil latar belakang kabur pada gambar yang lolos dari peneliti sebelumnya. Dalam tumbukan yang relatif lunak yang hampir tidak membuka proton, sebagian besar momentum terkunci di tiga quark biasa: dua naik dan turun. Tapi sejumlah kecil momentum tampaknya datang dari quark "pesona" dan antiquark pesona - partikel elementer kolosal yang masing-masing lebih besar daripada seluruh proton lebih dari sepertiga.

Pesona berumur pendek sering muncul dalam pandangan "laut quark" dari proton (gluon dapat terpecah menjadi salah satu dari enam jenis quark yang berbeda jika mereka memiliki energi yang cukup). Tetapi hasil dari Rojo dan rekan menunjukkan bahwa jimat memiliki kehadiran yang lebih permanen, membuat mereka dapat dideteksi dalam tabrakan yang lebih lembut. Dalam tumbukan ini, proton muncul sebagai campuran kuantum, atau superposisi, dari banyak keadaan: Sebuah elektron biasanya bertemu dengan tiga quark ringan. Tetapi kadang-kadang akan menemukan "molekul" yang lebih langka dari lima quark, seperti quark atas, bawah dan charm yang dikelompokkan di satu sisi dan quark up dan charm antiquark di sisi lain.

Detail halus seperti itu tentang susunan proton bisa menjadi konsekuensi. Di Large Hadron Collider, fisikawan mencari partikel elementer baru dengan menghancurkan proton berkecepatan tinggi bersama-sama dan melihat apa yang muncul; untuk memahami hasilnya, peneliti perlu mengetahui apa yang ada di dalam proton untuk memulai. Penampakan quark pesona raksasa sesekali akan membuang peluang membuat partikel yang lebih eksotis.

Dan ketika proton yang disebut sinar kosmik meluncur ke sini dari luar angkasa dan menabrak proton di atmosfer Bumi, quark pesona yang muncul pada saat yang tepat akan menghujani Bumi dengan neutrino ekstra-energi, para peneliti menghitung pada tahun 2021. Ini dapat membingungkan pengamat mencari untuk neutrino berenergi tinggi yang datang dari seberang kosmos.

Kolaborasi Rojo berencana untuk terus mengeksplorasi proton dengan mencari ketidakseimbangan antara quark pesona dan antiquark. Dan konstituen yang lebih berat, seperti top quark, dapat membuat penampakan yang lebih langka dan sulit dideteksi.

Eksperimen generasi berikutnya akan mencari lebih banyak fitur yang tidak diketahui. Fisikawan di Brookhaven National Laboratory berharap untuk menyalakan Electron-Ion Collider di tahun 2030-an dan melanjutkan di mana HERA tinggalkan, mengambil snapshot dengan resolusi lebih tinggi yang akan memungkinkan rekonstruksi 3D pertama dari proton. EIC juga akan menggunakan elektron yang berputar untuk membuat peta rinci putaran quark dan gluon internal, seperti halnya SLAC dan HERA memetakan momentumnya. Ini akan membantu para peneliti untuk akhirnya menentukan asal usul putaran proton, dan untuk menjawab pertanyaan mendasar lainnya tentang partikel membingungkan yang membentuk sebagian besar dunia kita sehari-hari.