בתוך הפרוטון, 'הדבר הכי מסובך שאתה יכול לדמיין'

יותר ממאה שנה לאחר שארנסט רתרפורד גילה את החלקיק הטעון חיובי בלב כל אטום, הפיזיקאים עדיין נאבקים להבין את הפרוטון במלואו.

מורים לפיזיקה בתיכון מתארים אותם ככדורים חסרי תכונה עם יחידה אחת של כל אחד ממטען חשמלי חיובי - הרדידים המושלמים לאלקטרונים בעלי מטען שלילי שמזמזמים סביבם. סטודנטים במכללה לומדים שהכדור הוא למעשה צרור של שלושה חלקיקים יסודיים הנקראים קווארקים. אבל עשרות שנים של מחקר חשפו אמת עמוקה יותר, כזו שהיא מוזרה מכדי לתפוס אותה במלואה במילים או בתמונות.

"זה הדבר הכי מסובך שאתה יכול לדמיין," אמר מייק וויליאמס, פיזיקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. "למעשה, אתה אפילו לא יכול לדמיין כמה זה מסובך."

הפרוטון הוא עצם מכני קוונטי שקיים כערבך של הסתברויות עד שניסוי מאלץ אותו לקבל צורה קונקרטית. וצורותיו שונות באופן דרסטי בהתאם לאופן שבו החוקרים מקיימים את הניסוי שלהם. חיבור פניו הרבות של החלקיק היה מלאכת דורות. "אנחנו רק מתחילים להבין את המערכת הזו בצורה שלמה", אמר ריצ'רד מילנר, פיזיקאי גרעיני ב-MIT.

ככל שהמרדף נמשך, סודות הפרוטון ממשיכים לצנוח החוצה. לאחרונה, א ניתוח נתונים מונומנטלי שפורסם באוגוסט מצא שהפרוטון מכיל עקבות של חלקיקים הנקראים קווארקים של קסם שכבדים יותר מהפרוטון עצמו.

הפרוטון "השפיל את בני האדם", אמר וויליאמס. "בכל פעם שאתה חושב שיש לך יד על זה, זה זורק לך כמה כדורי עקומה."

לאחרונה, מילנר, יחד עם רולף אנט במעבדת ג'פרסון, יוצרי הסרטים של MIT כריס בובל וג'ו מקמאסטר, והאנימטור ג'יימס לפלנט, יצאו להפוך קבוצה של עלילות מסתוריות שמרכיבות את התוצאות של מאות ניסויים לסדרה של אנימציות של הצורה. -הסטת פרוטון. שילבנו את האנימציות שלהם בניסיון שלנו לחשוף את סודותיה.

פיצוח פתח את הפרוטון

ההוכחה לכך שהפרוטון מכיל המונים הגיעה ממרכז המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC) בשנת 1967. בניסויים קודמים, חוקרים זרקו בו אלקטרונים וראו אותם מתרוצצים כמו כדורי ביליארד. אבל SLAC יכול היה לזרוק אלקטרונים בעוצמה רבה יותר, והחוקרים ראו שהם חוזרים בצורה שונה. האלקטרונים פגעו בפרוטון חזק מספיק כדי לנפץ אותו - תהליך הנקרא פיזור לא אלסטי עמוק - והתרסקו מרסיסים דמויי נקודה של הפרוטון הנקראים קווארקים. "זו הייתה העדות הראשונה לכך שקווארקים קיימים באמת", אמר שיאוצ'או ג'נג, פיזיקאי באוניברסיטת וירג'יניה.

לאחר התגלית של SLAC, שזכתה בפרס נובל לפיזיקה ב-1990, התגברה הבדיקה של הפרוטון. פיזיקאים ביצעו עד היום מאות ניסויי פיזור. הם מסיקים היבטים שונים של פנים האובייקט על ידי התאמת העוצמה שהם מפציצים אותו ועל ידי בחירה באילו חלקיקים מפוזרים הם אוספים לאחר מכן.

על ידי שימוש באלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר, הפיזיקאים יכולים להעלים תכונות עדינות יותר של פרוטון המטרה. בדרך זו, אנרגיית האלקטרונים קובעת את כוח הפתרון המקסימלי של ניסוי פיזור לא אלסטי עמוק. מתנגדי חלקיקים חזקים יותר מציעים מבט חד יותר של הפרוטון.

מתנגשים בעלי אנרגיה גבוהה יותר גם מייצרים מגוון רחב יותר של תוצאות התנגשות, ומאפשרים לחוקרים לבחור תת-קבוצות שונות של האלקטרונים היוצאים לניתוח. גמישות זו הוכיחה את המפתח להבנת הקווארקים, שדואגים להם בתוך הפרוטון בכמויות שונות של מומנטום.

על ידי מדידת האנרגיה והמסלול של כל אלקטרון מפוזר, החוקרים יכולים לדעת אם הוא העיף מבט בקווארק הנושא נתח גדול מהתנופה הכוללת של הפרוטון או רק מעט. באמצעות התנגשויות חוזרות ונשנות, הם יכולים לבצע משהו כמו מפקד אוכלוסין - לקבוע אם המומנטום של הפרוטון קשור בעיקר בכמה קווארקים, או מופץ על רבים.

אפילו ההתנגשויות של פיצול פרוטונים של SLAC היו עדינות בסטנדרטים של היום. באותם אירועי פיזור, אלקטרונים לעתים קרובות ירו החוצה בדרכים המצביעות על כך שהם התרסקו לתוך קווארקים הנושאים שליש מהתנופה הכוללת של הפרוטון. הממצא תאם תיאוריה של מורי גל-מאן וג'ורג' צוויג, שב-1964 טענו כי פרוטון מורכב משלושה קווארקים.

"מודל הקווארק" של גל-מן וצוויג נותר דרך אלגנטית לדמיין את הפרוטון. יש לו שני קווארקים "למעלה" עם מטענים חשמליים של +2/3 כל אחד וקווארק "למטה" אחד עם מטען של -1/3, עבור מטען פרוטון כולל של +1.

אבל מודל הקווארק הוא פשטנות יתר שיש לה חסרונות רציניים.

זה נכשל, למשל, כשמדובר בספין של פרוטון, תכונה קוונטית המקבילה לתנע זוויתי. לפרוטון יש חצי יחידת ספין, וכך גם לכל אחד מהקווארקים שלו למעלה ולמטה. פיזיקאים הניחו בתחילה כי - בחישוב המהדהד את אריתמטית המטען הפשוטה - חצאי היחידות של שני הקווארקים למעלה מינוס זו של הקווארק למטה חייבות להיות שווה לחצי יחידה עבור הפרוטון בכללותו. אבל ב-1988, שיתוף הפעולה האירופי של מואון דיווח שסיבובי הקווארק מסתכמים בהרבה פחות מחצי. באופן דומה, המסות של שני קווארקים למעלה וקווארק אחד למטה מהוות רק כ-1% מהמסה הכוללת של הפרוטון. הגירעונות הללו הביאו הביתה נקודה שהפיזיקאים כבר הבינו: הפרוטון הוא הרבה יותר משלושה קווארקים.

הרבה יותר משלושה קווארקים

מאיץ טבעת האדרון-אלקטרון (HERA), שפעל בהמבורג, גרמניה, מ-1992 עד 2007, הטיח אלקטרונים לפרוטונים בעוצמה פי אלף יותר מכפי שהיה ל-SLAC. בניסויי HERA, פיזיקאים יכלו לבחור אלקטרונים שקפצו מקווארקים בעלי מומנטום נמוך במיוחד, כולל כאלה הנושאים רק 0.005% מהתנופה הכוללת של הפרוטון. ולזהות אותם הם עשו: האלקטרונים של HERA חזרו ממערבולת של קווארקים בעלי מומנטום נמוך ומקביליהם אנטי-חומר, אנטי-קווארקים.

התוצאות אישרו תיאוריה מתוחכמת ומוזרה שהחליפה עד אז את מודל הקווארק של גל-מאן וצווייג. פותחה בשנות ה-1970, זו הייתה תורת קוונטים של "הכוח החזק" הפועל בין קווארקים. התיאוריה מתארת ​​את הקווארקים כמצוידים בחבל על ידי חלקיקים נושאי כוח הנקראים גלוונים. לכל קווארק ולכל גלואון יש אחד משלושה סוגים של מטען "צבע", המסומנים אדום, ירוק וכחול; חלקיקים טעוני צבע אלה מושכים זה בזה באופן טבעי ויוצרים קבוצה - כמו פרוטון - שצבעיה מסתכמים ללבן ניטרלי. התיאוריה הצבעונית נודעה בשם כרומודינמיקה קוונטית, או QCD.

על פי QCD, גלוונים יכולים לקלוט קוצים רגעיים של אנרגיה. עם האנרגיה הזו, גלואון מתפצל לקווארק ולאנטי-קווארק - כל אחד מהם נושא מעט מומנטום - לפני שהזוג מתבטל ונעלם. קוצי אנרגיה קטנים יותר מייצרים זוגות קווארקים עם תנע נמוך יותר, שחיים חיים קצרים יותר. זה ה"ים" הזה של גלוונים, קווארקים ואנטי-קווארקים ש-HERA, עם הרגישות הרבה יותר שלו לחלקיקים בעלי מומנטום נמוך יותר, זיהה ממקור ראשון.

HERA גם קלטה רמזים כיצד ייראה הפרוטון במתאבנים חזקים יותר. כשפיזיקאים התאימו את HERA כדי לחפש קווארקים בעלי מומנטום נמוך יותר, הקווארקים האלה - שמגיעים מגלואונים - הופיעו במספרים גדולים יותר ויותר. התוצאות העלו כי בהתנגשויות באנרגיה גבוהה אף יותר, הפרוטון יופיע כענן המורכב כמעט כולו מגלואונים.

שן הארי הגלואון הוא בדיוק מה ש-QCD חוזה. "נתוני HERA הם הוכחה ניסויית ישירה לכך ש-QCD מתאר את הטבע", אמר מילנר.

אבל הניצחון של התיאוריה הצעירה הגיע עם גלולה מרה: בעוד ש-QCD תיאר יפה את ריקוד הקווארקים והגלואונים קצרי הטווח שהתגלו בהתנגשויות הקיצוניות של HERA, התיאוריה חסרת תועלת להבנת שלושת הקווארקים ארוכי הטווח שנראו בהפצצה העדינה של SLAC.

קל להבין את התחזיות של QCD רק כאשר הכוח החזק חלש יחסית. והכוח החזק נחלש רק כאשר הקווארקים קרובים מאוד זה לזה, שכן הם נמצאים בזוגות קווארקים-אנטיקווארקים קצרי מועד. פרנק וילצ'ק, דיוויד גרוס ודיוויד פוליצר זיהו את התכונה המכוננת הזו של QCD בשנת 1973, וזכו בפרס נובל על כך 31 שנים מאוחר יותר.

אבל עבור התנגשויות עדינות יותר כמו של SLAC, שבהן הפרוטון פועל כמו שלושה קווארקים השומרים על מרחק הדדי, הקווארקים האלה מושכים זה את זה חזק מספיק כדי שחישובי QCD יהפכו לבלתי אפשריים. לפיכך, המשימה לבטל את המיסטיציה נוספת של תפיסת שלושת הקווארקים של הפרוטון נפלה ברובה על הנסיינים. (גם חוקרים שמריצים "ניסויים דיגיטליים", שבהם מדומים תחזיות QCD במחשבי-על, עשו תרומות מפתח.) ובתמונה זו ברזולוציה נמוכה הפיזיקאים ממשיכים למצוא הפתעות.

נוף חדש ומקסים

לאחרונה, צוות בראשות חואן רוג'ו מהמכון הלאומי לפיזיקה תת-אטומית בהולנד ואוניברסיטת VU אמסטרדם ניתחו יותר מ-5,000 צילומי פרוטונים שצולמו במהלך 50 השנים האחרונות, תוך שימוש בלמידת מכונה כדי להסיק את תנועות הקווארקים והגלואונים בתוך הפרוטון באופן שעוקף ניחוש תיאורטי.

 הבדיקה החדשה קלטה טשטוש רקע בתמונות שחמקו מחוקרים בעבר. בהתנגשויות רכות יחסית שפתחו את הפרוטון בקושי, רוב המומנטום היה נעול בשלושת הקווארקים הרגילים: שני עליות ומטה. אבל נראה שכמות קטנה של מומנטום הגיעה מקווארק "קסם" ואנטי-קווארק - חלקיקים יסודיים עצומים שכל אחד מהם עולים על כל הפרוטון ביותר משליש.

קסמים קצרי מועד מופיעים לעתים קרובות בנוף "ים הקווארקים" של הפרוטון (גלואונים יכולים להתפצל לכל אחד משישה סוגי קווארקים שונים אם יש להם מספיק אנרגיה). אבל התוצאות של Rojo ועמיתיו מצביעות על כך שלקסמים יש נוכחות קבועה יותר, מה שהופך אותם לזיהוי בהתנגשויות עדינות יותר. בהתנגשויות אלה, הפרוטון מופיע כתערובת קוונטית, או סופרפוזיציה, של מספר מצבים: אלקטרון פוגש בדרך כלל את שלושת הקווארקים הקלים. אבל הוא יתקל מדי פעם ב"מולקולה" נדירה יותר של חמישה קווארקים, כמו קווארק מעלה, מטה וצ'ארם המקובץ בצד אחד ואנטי-קווארק למעלה וצ'ארם מהצד השני.

פרטים עדינים כאלה על איפור הפרוטון עשויים להוכיח תוצאה. במאיץ ההדרונים הגדול, פיזיקאים מחפשים חלקיקים יסודיים חדשים על ידי חבטה של ​​פרוטונים במהירות גבוהה יחדיו ורואים מה יוצא החוצה; כדי להבין את התוצאות, החוקרים צריכים לדעת מה יש בפרוטון מלכתחילה. הופעה מדי פעם של קווארקי קסם ענקיים הייתה לזרוק את הסיכויים של יצירת חלקיקים אקזוטיים יותר.

וכאשר פרוטונים הנקראים קרניים קוסמיות זורמים לכאן מהחלל החיצון ופוגעים בפרוטונים באטמוספירה של כדור הארץ, קווארקי קסם שצצים ברגעים הנכונים ירעיפו על כדור הארץ ניטרינו אקסטרה-אנרגטי, חישבו חוקרים בשנת 2021. אלה עלולים לבלבל את הצופים חיפוש עבור נויטרינו עתירי אנרגיה המגיעים מרחבי הקוסמוס.

שיתוף הפעולה של רוג'ו מתכנן להמשיך ולחקור את הפרוטון על ידי חיפוש אחר חוסר איזון בין קווארקי קסם לאנטיקווארקים. ומרכיבים כבדים יותר, כמו הקווארק העליון, עלולים להופיע אפילו נדירים יותר וקשים יותר לזיהוי.

ניסויים של הדור הבא יחפשו עוד תכונות לא ידועות. פיזיקאים במעבדה הלאומית ברוקהייבן מקווים להפעיל את מאיץ האלקטרון-יונים בשנות ה-2030 ולהמשיך מהמקום שבו HERA הפסיקה, תוך צילום תמונות ברזולוציה גבוהה יותר שיאפשרו שחזורים תלת-ממדיים ראשונים של הפרוטון. ה-EIC ישתמש גם באלקטרונים מסתובבים כדי ליצור מפות מפורטות של הספינים של הקווארקים והגלואונים הפנימיים, בדיוק כפי ש-SLAC ו-HERA מיפו את המומנטים שלהם. זה אמור לעזור לחוקרים למצוא סוף סוף את מקור הספין של הפרוטון, ולהתייחס לשאלות יסוד אחרות לגבי החלקיק המבלבל המרכיב את רוב העולם היומיומי שלנו.