Siły wirujące, ciśnienie miażdżące mierzone w protonie | Magazyn Quanta

Fizycy zaczęli badać proton tak, jakby był planetą subatomową. Mapy przekrojowe pokazują nowo odkryte szczegóły wnętrza cząstki. W jądrze protonu panuje większe ciśnienie niż w jakiejkolwiek innej znanej formie materii. W połowie drogi na powierzchnię zderzające się wiry siły napierają na siebie. A „planeta” jako całość jest mniejsza, niż sugerowały poprzednie eksperymenty.

Badania eksperymentalne wyznaczają kolejny etap w dążeniu do zrozumienia cząstki, która zakotwicza każdy atom i tworzy większość naszego świata.

„Naprawdę postrzegamy to jako otwarcie zupełnie nowego kierunku, który zmieni nasz sposób patrzenia na podstawową strukturę materii” – powiedział Latifa Elouadrhiri, fizyk z Thomas Jefferson National Accelerator Facility w Newport News w Wirginii, który jest zaangażowany w ten projekt.

Eksperymenty dosłownie rzucają nowe światło na proton. Przez dziesięciolecia badacze skrupulatnie mapowali wpływ elektromagnetyczny dodatnio naładowanej cząstki. Jednak w ramach nowych badań fizycy z Jefferson Lab zamiast tego mapują wpływ grawitacyjny protonu, a mianowicie rozkład energii, ciśnień i naprężeń ścinających w całym materiale, które zaginają strukturę czasoprzestrzeni wewnątrz i wokół cząstki. Naukowcy robią to, wykorzystując osobliwy sposób, w jaki pary fotonów, cząstek światła, mogą imitować grawiton, hipotetyczną cząstkę przenoszącą siłę grawitacji. Wysyłając do protonu fotony, pośrednio wnioskują, w jaki sposób grawitacja będzie z nim oddziaływać, realizując w ten sposób wieloletnie marzenie o badaniu protonu w ten alternatywny sposób.

„To tour de force” – powiedział Cédrica Lorcé, fizyk z Ecole Polytechnique we Francji, który nie był zaangażowany w prace. „Eksperymentalnie jest to niezwykle skomplikowane”. 

Od fotonów do grawitonów

W ciągu ostatnich 70 lat fizycy dowiedzieli się ogromnej ilości o protonie, wielokrotnie uderzając w niego elektronami. Wiedzą, że jego ładunek elektryczny rozciąga się na odległość około 0.8 femtometra, czyli biliardowej części metra, od środka. Wiedzą, że nadchodzące elektrony mają tendencję do odbijania się od jednego z trzech kwarków – cząstek elementarnych z ułamkiem ładunku – które brzęczą w jego wnętrzu. Zaobserwowali także niezwykle dziwną konsekwencję teorii kwantowej, w której w przypadku silniejszych zderzeń elektrony wydają się tak wyglądać napotkać spienione morze składa się ze znacznie większej liczby kwarków, a także gluonów, nośników tzw. oddziaływania silnego, które skleja kwarki.

Wszystkie te informacje pochodzą z jednego układu: wysyłasz elektron w stronę protonu, a cząstki wymieniają pojedynczy foton – nośnik siły elektromagnetycznej – i odpychają się nawzajem. Ta interakcja elektromagnetyczna mówi fizykom, w jaki sposób kwarki, jako obiekty naładowane, mają tendencję do układania się. Ale proton to coś więcej niż jego ładunek elektryczny.

„Jak rozkładają się materia i energia?” spytał Piotra Schweitzera, fizyk teoretyczny na Uniwersytecie Connecticut. „Nie wiemy.”

Schweitzer spędził większość swojej kariery zastanawiając się nad grawitacyjną stroną protonu. W szczególności interesuje go macierz właściwości protonu zwana tensorem energii i pędu. „Tensor energii i pędu wie wszystko, co można wiedzieć o cząstce” – powiedział.

W ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, która przedstawia przyciąganie grawitacyjne jako obiekty poruszające się po krzywych w czasoprzestrzeni, tensor energii i pędu mówi, jak czasoprzestrzeń się zagina. Opisuje na przykład układ energii (lub, równoważnie, masy) — źródło lwiej części zakrzywienia czasoprzestrzeni. Śledzi także informacje o rozkładzie pędu, a także o miejscach, w których nastąpi kompresja lub ekspansja, co może również lekko zakrzywić czasoprzestrzeń.

Gdybyśmy mogli poznać kształt czasoprzestrzeni otaczającej proton, Rosyjski i amerykański fizycy niezależnie opracowali w latach 1960. XX wieku, mogliśmy wywnioskować wszystkie właściwości indeksowane w tensorze energii i pędu. Należą do nich znana już masa i spin protonu, a także układ ciśnień i sił protonu, zbiorcza właściwość, którą fizycy nazywają „terminem Druck”, od niemieckiego słowa oznaczającego ciśnienie. Termin ten jest „równie ważny jak masa i spin, ale nikt nie wie, co to jest” – powiedział Schweitzer – choć zaczyna się to zmieniać.

W latach 60. wydawało się, że pomiar tensora energii i pędu i obliczenie członu Drucka będzie wymagało grawitacyjnej wersji zwykłego eksperymentu z rozpraszaniem: wyrzucasz masywną cząstkę w stronę protonu i pozwalasz, aby ta dwójka wymieniła grawiton – hipotetyczną cząstkę który tworzy fale grawitacyjne – a nie foton. Jednak ze względu na ekstremalną słabość grawitacji fizycy spodziewają się, że rozpraszanie grawitonu będzie występować o 39 rzędów wielkości rzadziej niż rozpraszanie fotonów. Eksperymenty nie są w stanie wykryć tak słabego efektu.

„Pamiętam, że czytałem o tym, gdy byłem studentem” – powiedział Volkera Burkerta, członek zespołu Jefferson Lab. Wniosek był taki, że „prawdopodobnie nigdy nie będziemy w stanie dowiedzieć się niczego o właściwościach mechanicznych cząstek”.

Grawitacja bez grawitacji

Eksperymenty grawitacyjne są nadal niewyobrażalne. Jednak badania przeprowadzone pod koniec lat 1990. i na początku XXI wieku przez fizyków Xiangdong Ji i pracującego osobno nieżyjącego już Maxima Polyakova ujawnił a obejście.

Ogólny schemat jest następujący. Kiedy lekko strzelisz elektronem w proton, zwykle dostarcza on foton do jednego z kwarków i odbija się. Ale w mniej niż jednym przypadku na miliard dzieje się coś wyjątkowego. Nadchodzący elektron wysyła foton. Kwark pochłania go, a następnie po uderzeniu serca emituje kolejny foton. Kluczowa różnica polega na tym, że w tym rzadkim zdarzeniu biorą udział dwa fotony zamiast jednego – zarówno fotony przychodzące, jak i wychodzące. Obliczenia Ji i Polyakova wykazały, że gdyby eksperymentatorom udało się zebrać powstały elektron, proton i foton, mogliby wywnioskować z energii i pędu tych cząstek, co stało się z dwoma fotonami. A ten eksperyment z dwoma fotonami byłby w zasadzie równie pouczający, jak niemożliwy eksperyment z rozpraszaniem grawitonu.

Jak dwa fotony mogą wiedzieć cokolwiek o grawitacji? Odpowiedź wiąże się z zawiłą matematyką. Fizycy oferują jednak dwa sposoby myślenia o tym, dlaczego ta sztuczka działa.

Fotony to zmarszczki w polu elektromagnetycznym, które można opisać za pomocą pojedynczej strzałki lub wektora w każdym miejscu w przestrzeni, wskazując wartość i kierunek pola. Grawitony byłyby zmarszczkami w geometrii czasoprzestrzeni, bardziej skomplikowanym polem reprezentowanym przez kombinację dwóch wektorów w każdym punkcie. Przechwycenie grawitonu dałoby fizykom dwa wektory informacji. Poza tym dwa fotony mogą zastąpić grawiton, ponieważ łącznie niosą ze sobą dwa wektory informacji.

Alternatywna interpretacja matematyki jest następująca. W chwili, która upływa pomiędzy zaabsorbowaniem pierwszego fotonu przez kwark a wyemitowaniem drugiego, kwark podąża ścieżką w przestrzeni. Badając tę ​​ścieżkę, możemy poznać właściwości takie jak ciśnienia i siły otaczające ścieżkę.

„Nie przeprowadzamy eksperymentu grawitacyjnego” – powiedział Lorcé. Ale „powinniśmy uzyskać pośredni dostęp do tego, jak proton powinien oddziaływać z grawitonem”. 

Sondowanie planety Proton

Fizycy z Jefferson Lab zebrali w całość kilka zdarzeń rozpraszania dwóch fotonów w 2000 r. Ten dowód słuszności koncepcji zmotywował ich do zbudowania nowego eksperymentu, a w 2007 r. rozbili elektrony na protony wystarczająco dużo razy, aby zgromadzić około 500,000 XNUMX zderzeń naśladujących grawiton. Analiza danych eksperymentalnych zajęła kolejną dekadę.

Ze swojego indeksu właściwości zaginania czasoprzestrzeni zespół wyodrębnił nieuchwytny termin Druck, publikując ich oszacowanie ciśnienia wewnętrznego protonu Natura w 2018 roku.

Odkryli, że w sercu protonu silne oddziaływanie wytwarza ciśnienie o niewyobrażalnej intensywności – 100 miliardów bilionów bilionów paskali, czyli około 10 razy więcej niż ciśnienie w sercu gwiazdy neutronowej. Dalej od środka ciśnienie spada i ostatecznie kieruje się do wewnątrz, co jest konieczne, aby proton nie eksplodował. „To wynika z eksperymentu” – powiedział Burkert. „Tak, proton jest właściwie stabilny”. (To ustalenie nie ma żadnego związku czy protony rozpadają się, co jednak wiąże się z innym rodzajem niestabilności przewidywanym przez niektóre teorie spekulatywne).

Grupa Jefferson Lab kontynuowała analizę terminu Druck. W ramach przeglądu opublikowali oszacowanie sił ścinających – sił wewnętrznych pchających równolegle do powierzchni protonu opublikowany w grudniu. Fizycy odkryli, że w pobliżu rdzenia proton podlega działaniu siły skręcającej, która zostaje zneutralizowana przez skręcenie w przeciwnym kierunku, bliżej powierzchni. Pomiary te podkreślają również stabilność cząstki. Zwrotów akcji można było się spodziewać na podstawie prac teoretycznych Schweitzera i Polyakova. „Niemniej jednak obserwowanie, jak po raz pierwszy wychodzi z eksperymentu, jest naprawdę zdumiewające” – powiedział Elouadrhiri.

Teraz używają tych narzędzi do obliczania wielkości protonu w nowy sposób. W tradycyjnych eksperymentach z rozpraszaniem fizycy zaobserwowali, że ładunek elektryczny cząstki rozciąga się na około 0.8 femtometra od jej środka (co oznacza, że ​​kwarki składowe brzęczą w tym obszarze). Ale ten „promień ładunku” ma pewne dziwactwa. Na przykład w przypadku neutronu – neutralnego odpowiednika protonu, w którym dwa ujemnie naładowane kwarki mają tendencję do przebywania głęboko wewnątrz cząstki, podczas gdy jeden dodatnio naładowany kwark spędza więcej czasu blisko powierzchni – promień ładunku jest liczbą ujemną . „To nie znaczy, że rozmiar jest ujemny; to po prostu nie jest dokładna miara” – stwierdził Schweitzer.

Nowe podejście mierzy obszar czasoprzestrzeni, który jest znacząco zakrzywiony przez proton. W wstępnym druku, który nie został jeszcze sprawdzony, zespół Jefferson Lab obliczył, że promień ten może być około 25% mniejszy niż promień ładunku, zaledwie 0.6 femtometrów.

Granice planety Proton

Koncepcyjnie tego rodzaju analiza wygładza rozmyty taniec kwarków w stały obiekt przypominający planetę, przy czym ciśnienia i siły działają na każdą plamkę objętości. Ta zamarznięta planeta nie odzwierciedla w pełni hałaśliwego protonu w całej jego kwantowej chwale, ale jest użytecznym modelem. „To interpretacja” – powiedział Schweitzer.

Fizycy podkreślają, że początkowe mapy są przybliżone z kilku powodów.

Po pierwsze, precyzyjny pomiar tensora energii i pędu wymagałby znacznie wyższych energii zderzeń, niż jest w stanie wytworzyć Jefferson Lab. Zespół ciężko pracował, aby dokładnie ekstrapolować trendy na podstawie stosunkowo niskich energii, do których miał dostęp, ale fizycy nie są pewni, jak dokładne są te ekstrapolacje.

Co więcej, proton to coś więcej niż jego kwarki; zawiera także gluony, które przemieszczają się pod wpływem własnego ciśnienia i sił. Sztuczka z dwoma fotonami nie pozwala wykryć efektów gluonów. Odrębny zespół w Jefferson Lab zastosował analogiczną sztuczkę (obejmującą interakcję podwójnego gluonu), aby opublikować wstępną mapę grawitacyjną tych efektów gluonowych w Natura w ubiegłym roku, ale ono również opierało się na ograniczonych danych dotyczących niskiego zużycia energii.

„To pierwszy krok” – powiedział Yoshitaka Hatta, fizyk z Brookhaven National Laboratory, którego do rozpoczęcia badań protonu grawitacyjnego zainspirowały prace grupy Jefferson Lab w 2018 roku.

Ostrzejsze mapy grawitacyjne zarówno kwarków protonu, jak i jego gluonów mogą pojawić się w latach 2030. XXI wieku, kiedy rozpocznie działalność Zderzacz Elektronowo-Jonowy – eksperyment aktualnie budowany w Brookhaven.

W międzyczasie fizycy kontynuują eksperymenty cyfrowe. Fiala Shanahan, fizyk jądrowy i cząstek elementarnych w Massachusetts Institute of Technology, kieruje zespołem, który oblicza zachowanie kwarków i gluonów, wychodząc z równań oddziaływania silnego. W 2019 roku ona i jej współpracownicy oszacował ciśnienia i siły ścinające, a w październiku one oszacował promień, wśród innych właściwości. Jak dotąd ich cyfrowe odkrycia w dużej mierze pokrywają się z fizycznymi wynikami Jefferson Lab. „Z pewnością jestem bardzo podekscytowany zgodnością ostatnich wyników eksperymentów z naszymi danymi” – powiedziała Shanahan.

Nawet uzyskane dotychczas niewyraźne przebłyski protonu delikatnie zmieniły wiedzę badaczy na temat cząstki.

Niektóre konsekwencje są praktyczne. W CERN, europejskiej organizacji obsługującej Wielki Zderzacz Hadronów, największy na świecie rozbijacz protonów, fizycy zakładali wcześniej, że w niektórych rzadkich zderzeniach kwarki mogą znajdować się w dowolnym miejscu zderzających się protonów. Jednak mapy inspirowane grawitacją sugerują, że w takich przypadkach kwarki mają tendencję do przebywania w pobliżu centrum.

„Modele używane w CERN zostały już zaktualizowane” – powiedział Francois-Xavier Girod, fizyk z Jefferson Lab, który pracował nad eksperymentami.

Nowe mapy mogą również pomóc w rozwiązaniu jednej z najgłębszych tajemnic protonu: dlaczego kwarki w ogóle łączą się w protony. Istnieje intuicyjny argument, że ponieważ silna siła między każdą parą kwarków wzrasta w miarę oddalania się od nich niczym elastyczna taśma, kwarki nigdy nie będą mogły uciec swoim towarzyszom.

Ale protony składają się z najlżejszych członków rodziny kwarków. Lekkie kwarki można również traktować jako długie fale wychodzące poza powierzchnię protonu. Obraz ten sugeruje, że wiązanie protonu może nastąpić nie w wyniku wewnętrznego ciągnięcia pasm sprężystych, ale w wyniku zewnętrznej interakcji pomiędzy tymi falistymi, rozciągniętymi kwarkami. Mapa ciśnienia pokazuje przyciąganie silnych sił sięgających aż do 1.4 femtometra i więcej, co wzmacnia argumenty na rzecz takich alternatywnych teorii.

„To nie jest jednoznaczna odpowiedź” – powiedział Girod – „ale wskazuje na fakt, że te proste obrazy z pasmami sprężystymi nie mają znaczenia dla lekkich kwarków”.