Nucleaire wetenschappers hebben bevestigd dat de huidige beschrijving van de protonstructuur niet perfect is. Er is een toename in de gegevens in sondes van de structuur van het proton, volgens nieuwe precisiemetingen van de elektrische polariseerbaarheid van het proton aan de De Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie.
Precisiemeting van hoe de structuur van een proton vervormt in een elektrisch veld heeft nieuwe details onthuld over een onverklaarbare piek in protongegevens. De grootte van de elektrische polariseerbaarheid van het proton laat zien hoe gevoelig het is proton is vervorming of uitrekking in een elektrisch veld. Het bevestigde ook de aanwezigheid van de anomalie en deed vragen rijzen over de oorsprong ervan.
Bovendien kan een nauwkeurige beoordeling van de elektrische polariseerbaarheid van het proton helpen bij het overbruggen van de kloof tussen de verschillende verklaringen van het proton. Een proton kan lijken op een enkel ondoorzichtig deeltje of een samengesteld deeltje bestaande uit drie quarks bij elkaar gehouden door een sterke kracht, afhankelijk van hoe het wordt gesondeerd.
Ruonan Li, de eerste auteur van het nieuwe artikel en een afgestudeerde student aan de Temple University, zei: “We willen de onderbouw van het proton begrijpen. En we kunnen het ons voorstellen als een model met drie gebalanceerde quarks in het midden. Plaats nu het proton in het elektrische veld. De quarks hebben positieve of negatieve ladingen. Ze zullen in tegengestelde richtingen bewegen. Dus de elektrische polariseerbaarheid weerspiegelt hoe gemakkelijk de elektrisch veld zal het proton vervormen.”
Nucleaire wetenschappers gebruikten een techniek die bekend staat als virtuele Compton-verstrooiing om deze vervorming te onderzoeken. Het begint met een minutieus gereguleerde straal krachtige elektronen van Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility. De elektronen worden tegen protonen gebotst.
Bij virtuele Compton-verstrooiing interageren elektronen met andere deeltjes door een energetisch foton of lichtdeeltje uit te zenden. De energie van het elektron bepaalt de energie van het foton dat het uitzendt, wat ook bepaalt hoe het foton interageert met andere deeltjes.
Terwijl meer energetische fotonen in het proton zullen schieten om in contact te komen met een van zijn protonen wrongel, kunnen fotonen met een lagere energie tegen het oppervlak van het proton stuiteren. Volgens de theorie zal er een vloeiende curve verschijnen wanneer deze foton-quark-interacties worden uitgezet van lagere naar hogere energieën.
Nikos Sparveris, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Temple University en woordvoerder van het experiment, zei dat dit eenvoudige beeld de controle niet kon doorstaan. De metingen onthulden in plaats daarvan een nog onverklaarbare hobbel.
"We zien dat er enige lokale verbetering is in de omvang van de polariseerbaarheid. De polariseerbaarheid neemt af naarmate de energie toeneemt, zoals verwacht. En op een gegeven moment lijkt het tijdelijk weer omhoog te gaan voordat het omlaag gaat. Op basis van ons huidige theoretische begrip zou het een heel eenvoudig gedrag moeten volgen. We zien iets dat afwijkt van dit simpele gedrag. En dat is het feit dat ons op dit moment voor een raadsel stelt.”
"De theorie voorspelt dat de meer energetische elektronen de sterke kracht directer onderzoeken, aangezien deze de quarks samenbindt om het proton te maken. Deze vreemde piek in de stijfheid die kernfysici nu hebben bevestigd in de quarks van het proton, geeft aan dat er mogelijk een onbekend facet van de sterke kracht aan het werk is.”
“Er is iets dat we op dit moment missen. Het proton is de enige samengestelde bouwsteen in de natuur die stabiel is. Dus als we daar iets fundamenteels missen, heeft dat implicaties of consequenties voor de hele natuurkunde.”
Natuurkundigen zeiden: "De volgende stap is om de details van deze anomalie verder uit te pluizen en precisiesondes uit te voeren om te controleren op andere punten van afwijking en om meer informatie te geven over de bron van de anomalie."
spaarvarken zei, "We moeten ook precies de vorm van deze verbetering meten. De vorm is belangrijk om de theorie verder te verduidelijken.”
Journal Reference:
- Li, R., Sparveris, N., Atac, H. et al. Gemeten proton elektromagnetische structuur wijkt af van theoretische voorspellingen. NATUUR (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1
