Atomforskere har bekreftet at den nåværende beskrivelsen av protonstrukturen ikke er perfekt. Det har vært en økning i dataene i prober av protonets struktur, ifølge ny presisjonsmåling av protonets elektriske polariserbarhet ved Det amerikanske energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility.
Presisjonsmåling av hvordan et protons struktur deformeres i en elektrisk felt har avslørt nye detaljer om en uforklarlig økning i protondata. Størrelsen på protonets elektriske polariserbarhet avslører hvor mottakelig den proton er til deformasjon, eller strekking, i et elektrisk felt. Det bekreftet også tilstedeværelsen av anomalien og reiste spørsmål om opprinnelsen.
I tillegg kan en nøyaktig vurdering av protonets elektriske polariserbarhet hjelpe til med å bygge bro mellom de forskjellige forklaringene til protonet. Et proton kan virke som en enkelt ugjennomsiktig partikkel eller en sammensatt partikkel som består av tre kvarker holdt sammen av en sterk kraft, avhengig av hvordan den sonderes.
Ruonan Li, den første forfatteren av den nye artikkelen og en doktorgradsstudent ved Temple University, sa: "Vi ønsker å forstå understrukturen til protonet. Og vi kan forestille oss det som en modell med tre balanserte kvarker i midten. Sett nå protonet i det elektriske feltet. Kvarkene har positive eller negative ladninger. De vil bevege seg i motsatte retninger. Så den elektriske polariserbarheten reflekterer hvor enkelt elektrisk felt vil forvrenge protonet."
Atomforskere brukte en teknikk kjent som virtuell Compton-spredning for å undersøke denne forvrengningen. Det begynner med en omhyggelig regulert stråle av kraftige elektroner fra Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility. Elektronene sendes til å krasje inn i protoner.
Ved virtuell Compton-spredning samhandler elektroner med andre partikler ved å sende ut et energisk foton eller lyspartikkel. Elektronets energi bestemmer energien til fotonet det sender ut, som også bestemmer hvordan fotonet samhandler med andre partikler.
Mens mer energiske fotoner vil skyte inn i protonet for å engasjere seg med en av dens kvarker, kan lavere energifotoner sprette av protonets overflate. Ifølge teorien vil en jevn kurve vises når disse foton-kvark-interaksjonene plottes fra lavere til høyere energier.
Nikos Sparveris, førsteamanuensis i fysikk ved Temple University og talsperson for eksperimentet, sa at dette enkle bildet ikke holdt til gransking. Målingene avslørte i stedet en hittil uforklarlig støt.
"Vi ser at det er en lokal forbedring av størrelsen på polariserbarheten. Polariserbarheten avtar når energien øker, som forventet. Og på et tidspunkt ser det ut til at det kommer midlertidig opp igjen før det går ned. Basert på vår nåværende teoretiske forståelse, bør den følge en veldig enkel oppførsel. Vi ser noe som avviker fra denne enkle oppførselen. Og dette er det faktum som forvirrer oss for øyeblikket.»
"Teorien forutsier at de mer energiske elektronene mer direkte sonderer den sterke kraften ettersom den binder kvarkene sammen for å lage protonet. Denne rare toppen i stivheten som kjernefysikere nå har bekreftet i protonets kvarker, signaliserer at en ukjent fasett av den sterke kraften kan være i arbeid.»
"Det er noe vi mangler på dette tidspunktet. Protonet er den eneste sammensatte byggesteinen i naturen som er stabil. Så hvis vi mangler noe grunnleggende der, har det implikasjoner eller konsekvenser for all fysikk.»
Fysikere sa, "Neste trinn er å teste ut detaljene om denne anomalien og utføre presisjonssonder for å se etter andre avvikspunkter og gi mer informasjon om kilden til anomalien."
Sparveris sa, "Vi må også måle nøyaktig formen på denne forbedringen. Formen er viktig for å belyse teorien ytterligere."
Tidsreferanse:
- Li, R., Sparveris, N., Atac, H. et al. Målt proton elektromagnetisk struktur avviker fra teoretiske spådommer. Natur (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41586-022-05248-1
