כוחות מסתחררים, לחצים ריסוק נמדדים בפרוטון | מגזין קוונטה

פיזיקאים החלו לחקור את הפרוטון כאילו היה כוכב לכת תת-אטומי. מפות גזורות מציגות פרטים חדשים של החלק הפנימי של החלקיק. הליבה של הפרוטון כוללת לחצים עזים יותר מאשר בכל צורה אחרת של חומר ידועה. באמצע הדרך לפני השטח, מערבולות כוח מתנגשות דוחפות זו לזו. ו"כוכב הלכת" בכללותו קטן יותר ממה שהציעו ניסויים קודמים.

החקירות הניסיוניות מסמנות את השלב הבא במסע להבין את החלקיק שמעגן כל אטום ומהווה את עיקר עולמנו.

"אנחנו באמת רואים בזה פתיחת כיוון חדש לחלוטין שישנה את הדרך שלנו להסתכל על המבנה הבסיסי של החומר", אמר לטיפה אלואדרירי, פיזיקאי במתקן האצה הלאומי תומס ג'פרסון בניופורט ניוז, וירג'יניה, שמעורב במאמץ.

הניסויים ממש מאירים אור חדש על הפרוטון. במשך עשרות שנים, חוקרים מיפו בקפידה את ההשפעה האלקטרומגנטית של החלקיק הטעון חיובי. אבל במחקר החדש, הפיזיקאים של מעבדת ג'פרסון ממפים במקום זאת את השפעת הכבידה של הפרוטון - כלומר, התפלגות האנרגיות, הלחצים ולחצי הגזירה לאורך, המכופפים את מארג המרחב-זמן בתוך החלקיק ומסביבו. החוקרים עושים זאת על ידי ניצול דרך מוזרה שבה זוגות פוטונים, חלקיקי אור, יכולים לחקות גרביטון, החלקיק המשוער שמעביר את כוח הכבידה. על ידי פינג לפרוטון עם פוטונים, הם מסיקים בעקיפין כיצד הכבידה תתקשר איתו, תוך הגשמת חלום בן עשרות שנים לחקור את הפרוטון בדרך חלופית זו.

"זה טור דה כוח," אמר סדריק לורסה, פיזיקאי באקול פוליטכניק בצרפת שלא היה מעורב בעבודה. "מבחינה נסיונית, זה מאוד מסובך." 

מפוטונים ועד גרביטונים

פיזיקאים למדו כמות עצומה על הפרוטון במהלך 70 השנים האחרונות על ידי פגיעה חוזרת ונשנית בו באמצעות אלקטרונים. הם יודעים שהמטען החשמלי שלו משתרע בערך 0.8 פמטומטר, או רבעית המטר, ממרכזו. הם יודעים שהאלקטרונים הנכנסים נוטים להציץ באחד משלושה קווארקים - חלקיקים יסודיים עם שברי מטען - שמזמזמים בתוכו. הם גם ראו את התוצאה המוזרה ביותר של תורת הקוונטים שבה, בהתנגשויות חזקות יותר, נראה כי אלקטרונים נתקלים בים קצף מורכבים מהרבה יותר קווארקים וגם מגלואונים, הנושאים של מה שנקרא כוח חזק, שמדביק את הקווארקים יחד.

כל המידע הזה מגיע ממערך אחד: אתה יורה אלקטרון לעבר פרוטון, והחלקיקים מחליפים פוטון בודד - נושא הכוח האלקטרומגנטי - ודוחקים זה את זה. אינטראקציה אלקטרומגנטית זו מספרת לפיסיקאים כיצד קווארקים, כעצמים טעונים, נוטים לסדר את עצמם. אבל יש הרבה יותר בפרוטון מהמטען החשמלי שלו.

"כיצד מחולקים חומר ואנרגיה?" שאל פיטר שוויצר, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת קונטיקט. "אנחנו לא יודעים."

שוויצר בילה את רוב הקריירה שלו במחשבה על הצד הגרביטציוני של הפרוטון. באופן ספציפי, הוא מעוניין במטריצה ​​של תכונות של הפרוטון הנקראת טנזור תנופת האנרגיה. "טנזור תנופת האנרגיה יודע כל מה שצריך לדעת על החלקיק", אמר.

בתורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, המטילה משיכה כבידה כעצמים העוקבים אחר עקומות במרחב-זמן, טנזור האנרגיה-תנופת האנרגיה אומר למרחב-זמן כיצד להתכופף. הוא מתאר, למשל, את סידור האנרגיה (או, באופן שווה ערך, המסה) - מקור חלקו של האריה בפיתול המרחב-זמן. הוא גם עוקב אחר מידע על אופן חלוקת המומנטום, כמו גם היכן תהיה דחיסה או התרחבות, מה שיכול גם לעקל קלות את המרחב-זמן.

אם היינו יכולים ללמוד את צורת המרחב-זמן המקיף פרוטון, רוסי ו אֲמֶרִיקָאִי פיזיקאים שעבדו באופן עצמאי בשנות ה-1960, נוכל להסיק את כל התכונות שצוינו בטנזור-תנופת האנרגיה שלו. אלה כוללים את המסה והספין של הפרוטון, שכבר ידועים, יחד עם סידור הלחצים והכוחות של הפרוטון, תכונה קולקטיבית שפיזיקאים מתייחסים אליו כ"מונח Druck", אחרי המילה ללחץ בגרמנית. המונח הזה הוא "חשוב כמו מסה וספין, ואף אחד לא יודע מה זה", אמר שוויצר - אם כי זה מתחיל להשתנות.

בשנות ה-60, נראה היה שמדידת טנזור תנופת האנרגיה וחישוב המונח דרוק ידרשו גרסה גרביטציונית של ניסוי הפיזור הרגיל: אתה יורה חלקיק מסיבי על פרוטון ונותן לשניים להחליף גרוויטון - החלקיק ההיפותטי שמרכיב גלי כבידה - ולא פוטון. אבל בשל החולשה הקיצונית של כוח הכבידה, פיסיקאים מצפים שפיזור הכבידה יתרחש 39 סדרי גודל לעתים רחוקות יותר מאשר פיזור פוטון. ניסויים לא יכולים לזהות אפקט כה חלש.

"אני זוכר שקראתי על זה כשהייתי סטודנט", אמר וולקר בורקרט, חבר בצוות מעבדת ג'פרסון. ההנחה הייתה ש"כנראה לעולם לא נוכל ללמוד שום דבר על תכונות מכניות של חלקיקים".

כוח משיכה ללא כוח משיכה

ניסויי כבידה עדיין בלתי נתפסים היום. אבל מחקר בסוף שנות ה-1990 ותחילת שנות ה-2000 על ידי הפיזיקאים שיאנגדונג ג'י ועובדים בנפרד מקסים פוליאקוב המנוח גילה a פתרון לעקיפת הבעיה.

התכנית הכללית היא כדלקמן. כאשר אתה יורה אלקטרון קלות על פרוטון, הוא בדרך כלל מעביר פוטון לאחד הקווארקים ומעיף מבט. אבל בפחות מאירוע אחד למיליארד, משהו מיוחד קורה. האלקטרון הנכנס שולח פוטון. קווארק סופג אותו ואז פולט פוטון נוסף כעבור פעימת לב. ההבדל העיקרי הוא שאירוע נדיר זה כולל שני פוטונים במקום אחד - גם פוטונים נכנסים ויוצאים. החישובים של ג'י ופוליאקוב הראו שאם ניסויים יכלו לאסוף את האלקטרון, הפרוטון והפוטון שנוצרו, הם יכולים להסיק מהאנרגיות והתנע של החלקיקים האלה מה קרה עם שני הפוטונים. והניסוי הזה עם שני פוטונים יהיה אינפורמטיבי בעצם כמו ניסוי פיזור הכבידה הבלתי אפשרי.

איך יכלו שני פוטונים לדעת משהו על כוח הכבידה? התשובה כרוכה במתמטיקה מסורבלת. אבל פיזיקאים מציעים שתי דרכים לחשוב מדוע הטריק עובד.

פוטונים הם אדוות בשדה האלקטרומגנטי, אותם ניתן לתאר באמצעות חץ בודד, או וקטור, בכל מיקום בחלל המציין את ערכו וכיוונו של השדה. גרביטונים יהיו אדוות בגיאומטריה של מרחב-זמן, שדה מסובך יותר המיוצג על ידי שילוב של שני וקטורים בכל נקודה. לכידת גרביטון תעניק לפיזיקאים שני וקטורים של מידע. בקיצור, שני פוטונים יכולים לעמוד בתור גרביטון, מכיוון שהם גם נושאים ביחד שני וקטורים של מידע.

פירוש חלופי למתמטיקה הולך כדלקמן. במהלך הרגע שעובר בין הרגע שבו קווארק קולט את הפוטון הראשון ועד שהוא פולט את השני, הקווארק הולך בנתיב בחלל. על ידי בדיקה של נתיב זה, נוכל ללמוד על מאפיינים כמו הלחצים והכוחות המקיפים את השביל.

"אנחנו לא עושים ניסוי כבידה", אמר לורס. אבל "עלינו לקבל גישה עקיפה לאופן שבו פרוטון צריך לקיים אינטראקציה עם גרוויטון." 

בדיקה של פרוטון כוכב הלכת

הפיזיקאים של מעבדת ג'פרסון גירדו יחד כמה אירועי פיזור של שני פוטונים בשנת 2000. הוכחת הרעיון הזה הניעה אותם לבנות ניסוי חדש, ובשנת 2007, הם ניפצו אלקטרונים לפרוטונים מספיק פעמים כדי לצבור כ-500,000 התנגשויות מחקות גרוויטון. ניתוח הנתונים הניסויים ארך עוד עשור.

מתוך האינדקס של תכונות כיפוף המרחב-זמן, הצוות חילץ את המונח החמקמק של דרוק, ופרסם ההערכה שלהם מהלחצים הפנימיים של הפרוטון פנימה טבע ב 2018.

הם גילו שבלב הפרוטון, הכוח החזק יוצר לחצים בעוצמה בלתי נתפסת - 100 מיליארד טריליון טריליון פסקל, או בערך פי 10 מהלחץ בלב כוכב נויטרונים. רחוק יותר מהמרכז, הלחץ יורד ובסופו של דבר פונה פנימה, מכיוון שהוא חייב כדי שהפרוטון לא יתפוצץ. "זה יוצא מהניסוי", אמר בורקרט. "כן, פרוטון הוא למעשה יציב." (לממצא זה אין כל קשר האם פרוטונים מתפרקיםעם זאת, הכרוך בסוג אחר של חוסר יציבות שנחזה על ידי כמה תיאוריות ספקולטיביות.)

קבוצת מעבדת ג'פרסון המשיכה לנתח את המונח דרוק. הם פרסמו אומדן של כוחות הגזירה - כוחות פנימיים הנדחפים במקביל לפני השטח של הפרוטון - כחלק מסקירה פורסם בדצמבר. הפיזיקאים מצאו כי קרוב לליבה שלו, הפרוטון חווה כוח מתפתל שמנטרל על ידי פיתול בכיוון השני קרוב לפני השטח. מדידות אלו גם מדגישות את יציבות החלקיק. הפיתולים היו צפויים בהתבסס על עבודה תיאורטית של שוויצר ופוליאקוב. "למרות זאת, לראות אותו עולה מהניסוי בפעם הראשונה זה באמת מדהים", אמר אלואדרירי.

עכשיו הם משתמשים בכלים האלה כדי לחשב את גודל הפרוטון בדרך חדשה. בניסויי פיזור מסורתיים, פיזיקאים הבחינו שהמטען החשמלי של החלקיק משתרע כ-0.8 פמטומטר ממרכזו (כלומר, הקווארקים המרכיבים אותו מזמזמים באזור זה). אבל ל"רדיוס הטעינה" הזה יש כמה מוזרויות. במקרה של הנייטרון, למשל - מקבילו הנייטרלי של הפרוטון, שבו שני קווארקים בעלי מטען שלילי נוטים להסתובב עמוק בתוך החלקיק בעוד שקווארק אחד בעל מטען חיובי מבלה יותר זמן ליד פני השטח - רדיוס המטען יוצא כמספר שלילי . "זה לא אומר שהגודל שלילי; זו פשוט לא מידה נאמנה", אמר שוויצר.

הגישה החדשה מודדת את אזור המרחב-זמן המעוקל באופן משמעותי על ידי הפרוטון. בהדפסה מקדימה שעדיין לא עברה ביקורת עמיתים, צוות מעבדת ג'פרסון חישב שהרדיוס הזה עשוי להיות קטן בכ-25%. מרדיוס המטען, רק 0.6 פמטומטר.

גבולות כוכב פרוטון

מבחינה קונספטואלית, סוג זה של ניתוח מחליק את הריקוד המטושטש של הקווארקים לכדי עצם מוצק דמוי כוכב לכת, עם לחצים וכוחות הפועלים על כל כתם נפח. כוכב הלכת הקפוא הזה לא משקף במלואו את הפרוטון הצועק במלוא תפארתו הקוונטית, אבל הוא מודל שימושי. "זו פרשנות", אמר שוויצר.

ופיזיקאים מדגישים שהמפות הראשוניות גסות, מכמה סיבות.

ראשית, מדידה מדויקת של טנזור תנופת האנרגיה תדרוש אנרגיות התנגשות גבוהות בהרבה ממה שמעבדת ג'פרסון יכולה לייצר. הצוות עבד קשה כדי להקפיד על אקסטרפולציה של מגמות מהאנרגיות הנמוכות יחסית שהם יכולים לגשת אליהם, אבל הפיזיקאים עדיין לא בטוחים עד כמה ההשלכות הללו מדויקות.

יתרה מכך, הפרוטון הוא יותר מהקוורקים שלו; הוא מכיל גם גלואונים, שמסתובבים עם הלחצים והכוחות שלהם. טריק שני הפוטונים לא יכול לזהות השפעות של גלוונים. צוות נפרד במעבדת ג'פרסון השתמש בטריק מקביל (הכולל אינטראקציה כפולה של גלואון) כדי לפרסם מפת כבידה ראשונית של השפעות הגלואון הללו טבע אשתקד, אבל גם הוא התבסס על נתונים מוגבלים דלי אנרגיה.

"זהו צעד ראשון", אמר יושיטאקה האטה, פיזיקאי במעבדה הלאומית ברוקהייבן שקיבל השראה להתחיל לחקור את פרוטון הכבידה לאחר עבודת קבוצת ג'פרסון לאב ב-2018.

מפות כבידה חדות יותר הן של הקווארקים של הפרוטון והן של הגלואונים שלו עשויות להגיע בשנות ה-2030 כאשר מאיץ האלקטרון-יונים, ניסוי שנמצא כעת בבנייה בברוקהייבן, יתחיל לפעול.

בינתיים, פיזיקאים דוחפים קדימה עם ניסויים דיגיטליים. פיאלה שנהאן, פיזיקאי גרעיני וחלקיקים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, מוביל צוות שמחשב את התנהגותם של קווארקים וגלואונים החל ממשוואות הכוח החזק. בשנת 2019, היא ומשתפי הפעולה שלה העריך את הלחצים וכוחות גזירה, ובאוקטובר, הם העריך את הרדיוס, בין היתר. עד כה, הממצאים הדיגיטליים שלהם תאמו באופן נרחב את הממצאים הפיזיים של מעבדת ג'פרסון. "אני בהחלט די נרגש מהעקביות בין תוצאות הניסוי האחרונות והנתונים שלנו", אמר שנהאן.

אפילו ההצצות המטושטשות של הפרוטון שהושגו עד כה עיצבו בעדינות את הבנת החוקרים לגבי החלקיק.

חלק מההשלכות הן מעשיות. ב-CERN, הארגון האירופי שמנהל את מאיץ ההדרון הגדול, מנפץ הפרוטונים הגדול בעולם, הפיזיקאים הניחו בעבר שבהתנגשויות נדירות מסוימות, קווארקים יכולים להיות בכל מקום בתוך הפרוטונים המתנגשים. אבל המפות בהשראת הכבידה מצביעות על כך שקווארקים נוטים להסתובב ליד המרכז במקרים כאלה.

"כבר המודלים שהם משתמשים בהם ב-CERN עודכנו", אמר פרנסואה-קסבייר ג'ירו, פיזיקאי במעבדת ג'פרסון שעבד על הניסויים.

המפות החדשות עשויות גם להציע הדרכה לקראת פתרון אחת התעלומות העמוקות ביותר של הפרוטון: מדוע קווארקים נקשרים את עצמם לפרוטונים בכלל. יש טיעון אינטואיטיבי שמכיוון שהכוח החזק בין כל זוג קווארקים מתעצם ככל שהם מתרחקים, כמו רצועה אלסטית, קווארקים לעולם לא יוכלו לברוח מחבריהם.

אבל פרוטונים עשויים מהחברים הקלים ביותר של משפחת הקווארקים. וניתן לחשוב על קווארקים קלים גם כגלים ארוכים המשתרעים מעבר לפני השטח של הפרוטון. תמונה זו מעידה על כך שהקשירה של הפרוטון עשויה להתרחש לא באמצעות משיכה פנימית של רצועות אלסטיות, אלא באמצעות אינטראקציה חיצונית כלשהי בין הקווארקים הגליים והארוכים הללו. מפת הלחץ מציגה את המשיכה של הכוח החזק הנמשך כל הדרך החוצה עד 1.4 פמטומטר ומעלה, מה שמחזק את הטיעון לתיאוריות חלופיות כאלה.

"זו לא תשובה חד משמעית," אמר גירוד, "אבל זה מצביע על העובדה שהתמונות הפשוטות הללו עם רצועות אלסטיות אינן רלוונטיות עבור קווארקים קלים."