Inne i protonet, den 'mest kompliserte tingen du kunne forestille deg'

Mer enn et århundre etter at Ernest Rutherford oppdaget den positivt ladede partikkelen i hjertet av hvert atom, sliter fysikere fortsatt med å forstå protonet fullt ut.

Fysikklærere på videregående beskriver dem som karakterløse baller med én enhet hver med positiv elektrisk ladning - de perfekte foliene for de negativt ladede elektronene som surrer rundt dem. Studenter lærer at ballen faktisk er en bunt av tre elementære partikler kalt kvarker. Men flere tiår med forskning har avslørt en dypere sannhet, en som er for bisarr til å fange med ord eller bilder.

"Dette er det mest kompliserte du kan forestille deg," sa Mike Williams, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. "Faktisk kan du ikke engang forestille deg hvor komplisert det er."

Protonet er et kvantemekanisk objekt som eksisterer som en dis av sannsynligheter inntil et eksperiment tvinger det til å ta en konkret form. Og formene varierer drastisk avhengig av hvordan forskere setter opp eksperimentet sitt. Å koble sammen partikkelens mange ansikter har vært generasjoners arbeid. "Vi begynner på en måte å forstå dette systemet på en fullstendig måte," sa Richard Milner, en kjernefysiker ved MIT.

Mens jakten fortsetter, faller protonets hemmeligheter stadig ut. Senest, a monumental dataanalyse publisert i august fant ut at protonet inneholder spor av partikler kalt sjarmkvarker som er tyngre enn selve protonet.

Protonet "har vært ydmykende for mennesker," sa Williams. "Hver gang du tror du har et håndtak på det, kaster det deg noen kurvekuler."

Nylig satte Milner, sammen med Rolf Ent ved Jefferson Lab, MIT-filmskaperne Chris Boebel og Joe McMaster, og animatøren James LaPlante, ut for å transformere et sett med mystiske plott som kompilerer resultatene av hundrevis av eksperimenter til en serie animasjoner av formen. -skiftende proton. Vi har integrert animasjonene deres i vårt eget forsøk på å avsløre dens hemmeligheter.

Sprekking Åpne protonet

Beviset på at protonet inneholder mengder kom fra Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i 1967. I tidligere eksperimenter hadde forskere kastet elektroner på det og sett dem rikosjettere som biljardkuler. Men SLAC kunne kaste elektroner kraftigere, og forskerne så at de spratt tilbake annerledes. Elektronene traff protonet hardt nok til å knuse det - en prosess som kalles dyp uelastisk spredning - og spratt tilbake fra punktlignende skår av protonet kalt kvarker. "Det var det første beviset på at kvarker faktisk eksisterer," sa Xiaochao Zheng, fysiker ved University of Virginia.

Etter SLACs oppdagelse, som vant Nobelprisen i fysikk i 1990, ble granskingen av protonet intensivert. Fysikere har utført hundrevis av spredningsforsøk til dags dato. De utleder ulike aspekter av objektets indre ved å justere hvor kraftig de bombarderer det og ved å velge hvilke spredte partikler de samler i kjølvannet.

Ved å bruke elektroner med høyere energi, kan fysikere frette ut finere trekk ved målprotonet. På denne måten setter elektronenergien den maksimale oppløsningskraften til et dypt uelastisk spredningseksperiment. Kraftigere partikkelkollidere gir et skarpere syn på protonet.

Kollidere med høyere energi produserer også et bredere spekter av kollisjonsutfall, og lar forskere velge forskjellige undergrupper av de utgående elektronene å analysere. Denne fleksibiliteten har vist seg å være nøkkelen til å forstå kvarker, som bryr seg om inne i protonet med forskjellige mengder momentum.

Ved å måle energien og banen til hvert spredt elektron, kan forskere se om det har sett av en kvark som bærer en stor del av protonets totale bevegelsesmengde eller bare en liten bit. Gjennom gjentatte kollisjoner kan de ta noe sånt som en folketelling - avgjøre om protonets momentum er hovedsakelig bundet opp i noen få kvarker, eller fordelt på mange.

Selv SLACs protonsplittende kollisjoner var milde etter dagens standarder. I disse spredningshendelsene skjøt elektroner ofte ut på måter som tyder på at de hadde krasjet inn i kvarker som bærer en tredjedel av protonets totale fart. Funnet stemte overens med en teori fra Murray Gell-Mann og George Zweig, som i 1964 hevdet at et proton består av tre kvarker.

Gell-Mann og Zweigs "kvarkmodell" er fortsatt en elegant måte å forestille seg protonet på. Den har to "opp"-kvarker med elektriske ladninger på +2/3 hver og en "ned"-kvarker med en ladning på -1/3, for en total protonladning på +1.

Men kvarkmodellen er en overforenkling som har alvorlige mangler.

Det mislykkes, for eksempel når det kommer til et protons spinn, en kvanteegenskap som er analog med vinkelmomentum. Protonet har en halv spinnenhet, det samme gjør hver av opp- og nedkvarkene. Fysikere antok i utgangspunktet at - i en beregning som gjenspeiler den enkle ladningsaritmetikken - må halvenhetene til de to opp-kvarkene minus den for nedkvarken tilsvare en halv enhet for protonet som helhet. Men i 1988, European Muon Collaboration rapportert at kvarkspinnene utgjør langt mindre enn halvparten. Tilsvarende utgjør massene til to opp-kvarker og én ned-kvarker bare omtrent 1 % av protonets totale masse. Disse underskuddene drev hjem et poeng fysikere allerede begynte å sette pris på: Protonet er mye mer enn tre kvarker.

Mye mer enn tre kvarker

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), som opererte i Hamburg, Tyskland, fra 1992 til 2007, slo elektroner inn i protoner omtrent tusen ganger kraftigere enn SLAC hadde. I HERA-eksperimenter kunne fysikere velge elektroner som hadde sprettet av kvarker med ekstremt lavt momentum, inkludert de som bærer så lite som 0.005 % av protonets totale bevegelsesmengde. Og oppdage dem de gjorde: HERAs elektroner kom tilbake fra en malstrøm av lavmomentum kvarker og deres antimaterie-motstykker, antikvarker.

Resultatene bekreftet en sofistikert og merkelig teori som da hadde erstattet Gell-Mann og Zweigs kvarkmodell. Utviklet på 1970-tallet var det en kvanteteori om den "sterke kraften" som virker mellom kvarker. Teorien beskriver kvarker som å bli festet sammen av kraftbærende partikler kalt gluoner. Hver kvark og hver gluon har en av tre typer "farge" ladning, merket rød, grønn og blå; disse fargeladede partiklene trekker seg naturlig i hverandre og danner en gruppe - for eksempel et proton - hvis farger legger opp til en nøytral hvit. Den fargerike teorien ble kjent som kvantekromodynamikk, eller QCD.

I følge QCD kan gluoner plukke opp øyeblikkelige energitopper. Med denne energien deler en gluon seg i en kvark og en antikvark - hver med en liten bit av fart - før paret tilintetgjør og forsvinner. Mindre energitopper produserer kvarkpar med lavere fart, som lever kortere liv. Det er dette "havet" av gluoner, kvarker og antikvarker som HERA, med sin større følsomhet for partikler med lavere momentum, oppdaget førstehånds.

HERA fanget også opp hint om hvordan protonet ville se ut i kraftigere kollidere. Da fysikere justerte HERA for å se etter kvarker med lavere momentum, dukket disse kvarkene - som kommer fra gluoner - opp i stadig større antall. Resultatene antydet at i kollisjoner med enda høyere energi ville protonet fremstå som en sky bestående nesten utelukkende av gluoner.

Gluonløvetann er nøyaktig hva QCD spår. "HERA-dataene er direkte eksperimentelt bevis på at QCD beskriver naturen," sa Milner.

Men den unge teoriens seier kom med en bitter pille: Mens QCD vakkert beskrev dansen av kortlivede kvarker og gluoner avslørt av HERAs ekstreme kollisjoner, er teorien ubrukelig for å forstå de tre langvarige kvarkene sett i SLACs milde bombardement.

QCDs spådommer er enkle å forstå bare når den sterke kraften er relativt svak. Og den sterke kraften svekkes bare når kvarkene er ekstremt nær hverandre, slik de er i kortvarige kvark-antikvark-par. Frank Wilczek, David Gross og David Politzer identifiserte dette kjennetegn ved QCD i 1973, og vant Nobelprisen for det 31 år senere.

Men for mildere kollisjoner som SLAC-er, der protonet fungerer som tre kvarker som gjensidig holder avstand, trekker disse kvarkene på hverandre sterkt nok til at QCD-beregninger blir umulige. Dermed har oppgaven med å avmystifisere tre-kvarksynet på protonet i stor grad falt på eksperimentelle. (Forskere som kjører "digitale eksperimenter", der QCD-spådommer simuleres på superdatamaskiner, har også gjort sentrale bidrag.) Og det er i dette lavoppløselige bildet at fysikere stadig finner overraskelser.

En sjarmerende ny utsikt

Nylig har et team ledet av Juan Rojo ved National Institute for Subatomic Physics i Nederland og VU University Amsterdam analyserte mer enn 5,000 proton-øyeblikksbilder tatt i løpet av de siste 50 årene, ved å bruke maskinlæring for å utlede bevegelsene til kvarker og gluoner inne i protonet på en måte som omgår teoretisk gjetting.

 Den nye granskingen fanget opp en bakgrunnsuskarphet i bildene som hadde rømt forbi forskere. I relativt myke kollisjoner som så vidt brøt opp protonet, ble det meste av farten låst opp i de vanlige tre kvarkene: to oppturer og en nedover. Men en liten mengde momentum så ut til å komme fra en "sjarm" kvark og sjarmantikvark - kolossale elementærpartikler som hver oppveier hele protonet med mer enn en tredjedel.

Kortvarige sjarm dukker ofte opp i "kvarkhavet" -visningen av protonet (gluoner kan dele seg inn i seks forskjellige kvarktyper hvis de har nok energi). Men resultatene fra Rojo og kolleger tyder på at sjarmen har en mer permanent tilstedeværelse, noe som gjør dem påviselige i mildere kollisjoner. I disse kollisjonene fremstår protonet som en kvanteblanding, eller superposisjon, av flere tilstander: Et elektron møter vanligvis de tre lette kvarkene. Men den vil av og til møte et sjeldnere "molekyl" av fem kvarker, for eksempel en opp-, ned- og sjarmkvark gruppert på den ene siden og en opp-kvark og sjarmantikvark på den andre.

Slike subtile detaljer om protonets sminke kan vise seg å være konsekvens. Ved Large Hadron Collider leter fysikere etter nye elementærpartikler ved å slå høyhastighetsprotoner sammen og se hva som dukker opp; For å forstå resultatene, må forskere vite hva som er i et proton til å begynne med. En og annen tilsynekomst av gigantiske sjarmkvarker ville kaste av oddsene å lage mer eksotiske partikler.

Og når protoner kalt kosmiske stråler suser hit fra verdensrommet og smeller inn i protoner i jordens atmosfære, vil sjarmkvarker som dukker opp i de rette øyeblikkene overøse jorden med ekstra-energiske nøytrinoer, beregnet forskere i 2021. Disse kan forvirre observatører søker for høyenerginøytrinoer som kommer fra hele kosmos.

Rojos samarbeid planlegger å fortsette å utforske protonet ved å søke etter en ubalanse mellom sjarmkvarker og antikvarker. Og tyngre bestanddeler, som toppkvarken, kan gjøre enda sjeldnere og vanskeligere å oppdage.

Neste generasjons eksperimenter vil søke enda flere ukjente funksjoner. Fysikere ved Brookhaven National Laboratory håper å fyre opp Electron-Ion Collider på 2030-tallet og fortsette der HERA slapp, ved å ta øyeblikksbilder med høyere oppløsning som vil muliggjøre de første 3D-rekonstruksjonene av protonet. EIC vil også bruke spinnende elektroner for å lage detaljerte kart over spinnene til de interne kvarkene og gluonene, akkurat som SLAC og HERA kartla deres momentum. Dette bør hjelpe forskere til å endelig finne opprinnelsen til protonets spinn, og til å ta opp andre grunnleggende spørsmål om den forvirrende partikkelen som utgjør det meste av vår hverdagsverden.