Wewnątrz Protonu, „najbardziej skomplikowana rzecz, jaką można sobie wyobrazić”

Ponad sto lat po tym, jak Ernest Rutherford odkrył dodatnio naładowaną cząstkę w sercu każdego atomu, fizycy wciąż walczą o pełne zrozumienie protonu.

Nauczyciele fizyki w szkołach średnich opisują je jako pozbawione cech kule z jedną jednostką dodatniego ładunku elektrycznego – idealną folię dla ujemnie naładowanych elektronów, które brzęczą wokół nich. Studenci dowiadują się, że kula jest w rzeczywistości wiązką trzech cząstek elementarnych zwanych kwarkami. Ale dziesięciolecia badań ujawniły głębszą prawdę, zbyt dziwaczną, aby w pełni uchwycić ją słowami lub obrazami.

„To najbardziej skomplikowana rzecz, jaką można sobie wyobrazić” — powiedział Mike Williams, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. „W rzeczywistości nie możesz sobie nawet wyobrazić, jakie to skomplikowane”.

Proton jest obiektem mechaniki kwantowej, który istnieje jako mgła prawdopodobieństw, dopóki eksperyment nie zmusi go do przyjęcia konkretnej formy. A jego formy różnią się drastycznie w zależności od tego, jak naukowcy zorganizowali swój eksperyment. Łączenie wielu twarzy cząstki było dziełem pokoleń. „W pewnym sensie dopiero zaczynamy w pełni rozumieć ten system”, powiedział Ryszard Milner, fizyk jądrowy w MIT.

Gdy pościg trwa, tajemnice protonu wypadają na jaw. Ostatnio a analiza danych monumentalnych opublikowany w sierpniu wykazał, że proton zawiera ślady cząstek zwanych kwarkami powabnymi, które są cięższe niż sam proton.

Proton „pokora ludziom” – powiedział Williams. „Za każdym razem, gdy myślisz, że masz nad tym kontrolę, rzuca ci to kilka podkręconych piłek”.

Ostatnio Milner wraz z Rolfem Entem z Jefferson Lab, filmowcami z MIT Chrisem Boebelem i Joe McMaster oraz animatorem Jamesem LaPlante postanowili przekształcić zestaw tajemnych wątków, które łączą wyniki setek eksperymentów w serię animacji kształtu. -przesuwający proton. Ich animacje włączyliśmy do naszej własnej próby ujawnienia jej sekretów.

Pękanie Otwórz Proton

Dowód na to, że proton zawiera mnóstwo, pochodzi ze Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) w 1967 roku. We wcześniejszych eksperymentach naukowcy obrzucili go elektronami i obserwowali, jak odbijają się one rykoszetem jak kule bilardowe. Ale SLAC mógł rzucać elektronami z większą siłą, a naukowcy zauważyli, że odbijają się one inaczej. Elektrony uderzały w proton wystarczająco mocno, by go rozbić – proces zwany głęboko nieelastycznym rozpraszaniem – i odbijały się od punktowych odłamków protonu zwanych kwarkami. „To był pierwszy dowód na to, że kwarki rzeczywiście istnieją” — powiedział Xiaochao Zhenga, fizyk z University of Virginia.

Po odkryciu SLAC, które zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1990 roku, badania protonu zintensyfikowały się. Do tej pory fizycy przeprowadzili setki eksperymentów z rozpraszaniem. Wnioskują różne aspekty wnętrza obiektu, dostosowując siłę bombardowania go i wybierając, które rozproszone cząstki gromadzą w następstwie.

Używając elektronów o wyższej energii, fizycy mogą wykryć drobniejsze cechy docelowego protonu. W ten sposób energia elektronów wyznacza maksymalną zdolność rozdzielczą eksperymentu z głębokim nieelastycznym rozpraszaniem. Mocniejsze zderzacze cząstek zapewniają ostrzejszy widok protonu.

Zderzacze o wyższych energiach generują również szerszy zakres wyników zderzeń, umożliwiając naukowcom wybór różnych podzbiorów elektronów wychodzących do analizy. Ta elastyczność okazała się kluczem do zrozumienia kwarków, którym zależy na różnych pędach wewnątrz protonu.

Mierząc energię i trajektorię każdego rozproszonego elektronu, naukowcy mogą stwierdzić, czy odbił się on od kwarka niosącego duży fragment całkowitego pędu protonu, czy tylko odrobinę. Poprzez powtarzające się zderzenia mogą przeprowadzić coś w rodzaju spisu – określając, czy pęd protonu jest w większości związany z kilkoma kwarkami, czy rozłożony na wiele.

Nawet zderzenia rozszczepiające protony SLAC były delikatne według dzisiejszych standardów. Podczas tych zdarzeń rozpraszania elektrony często wystrzeliwały w sposób sugerujący, że zderzyły się z kwarkami niosącymi jedną trzecią całkowitego pędu protonu. Odkrycie zgadzało się z teorią Murraya Gell-Manna i George'a Zweiga, którzy w 1964 roku założyli, że proton składa się z trzech kwarków.

„Model kwarkowy” Gell-Manna i Zweiga pozostaje eleganckim sposobem na wyobrażenie sobie protonu. Ma dwa kwarki „górne” o ładunku elektrycznym +2/3 każdy i jeden kwark „dolny” o ładunku -1/3, co daje łączny ładunek protonowy +1.

Ale model kwarków jest uproszczeniem, które ma poważne wady.

Zawodzi, na przykład, jeśli chodzi o spin protonu, właściwość kwantową analogiczną do momentu pędu. Proton ma pół jednostki spinu, podobnie jak każdy z jego kwarków górnego i dolnego. Fizycy początkowo przypuszczali, że — w obliczeniach odzwierciedlających prostą arytmetykę ładunków — półjednostki dwóch kwarków górnych minus kwark dolny muszą równać się połowie jednostki dla protonu jako całości. Ale w 1988 roku Europejska Współpraca Mionów zgłaszane że spiny kwarków sumują się do znacznie mniej niż połowy. Podobnie masy dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego stanowią tylko około 1% całkowitej masy protonu. Te deficyty doprowadziły do ​​punktu, który fizycy już zaczęli doceniać: proton to znacznie więcej niż trzy kwarki.

Znacznie więcej niż trzy kwarki

Akcelerator pierścieniowy Hadron-Electron (HERA), który działał w Hamburgu w Niemczech w latach 1992-2007, uderzał elektronami w protony około tysiąc razy silniej niż SLAC. W eksperymentach HERA fizycy mogli wybrać elektrony, które odbiły się od kwarków o wyjątkowo niskim pędzie, w tym te, które mają zaledwie 0.005% całkowitego pędu protonu. I wykryli to, co zrobili: elektrony HERA odbiły się od wiru kwarków o małym pędzie i ich odpowiedników z antymaterii, antykwarków.

Wyniki potwierdziły wyrafinowaną i dziwaczną teorię, która do tego czasu zastąpiła model kwarkowy Gell-Manna i Zweiga. Opracowana w latach 1970. była kwantową teorią „siły silnej”, która działa między kwarkami. Teoria opisuje kwarki jako połączone ze sobą przez przenoszące siły cząstki zwane gluonami. Każdy kwark i każdy gluon ma jeden z trzech rodzajów ładunku „kolorowego”, oznaczonych jako czerwony, zielony i niebieski; te naładowane kolorami cząstki naturalnie przyciągają się do siebie i tworzą grupę – taką jak proton – której kolory składają się na neutralną biel. Kolorowa teoria stała się znana jako chromodynamika kwantowa lub QCD.

Według QCD gluony mogą odbierać chwilowe skoki energii. Dzięki tej energii gluon dzieli się na kwark i antykwark — każdy z nich ma niewielki pęd — zanim para ulegnie anihilacji i zniknie. Mniejsze skoki energii wytwarzają pary kwarków o niższym pędzie, które żyją krócej. To właśnie to „morze” gluonów, kwarków i antykwarków HERA, ze swoją większą wrażliwością na cząstki o niższym pędzie, wykryła na własne oczy.

HERA wychwyciła również wskazówki, jak proton będzie wyglądał w potężniejszych zderzaczach. Gdy fizycy dostosowali HERA do poszukiwania kwarków o niższym pędzie, te kwarki – pochodzące z gluonów – pojawiały się w coraz większej liczbie. Wyniki sugerowały, że nawet w zderzeniach o wyższych energiach proton wyglądałby jak chmura składająca się prawie wyłącznie z gluonów.

Mniszek gluonowy jest dokładnie tym, co przewiduje QCD. „Dane HERA są bezpośrednim eksperymentalnym dowodem na to, że QCD opisuje naturę” – powiedział Milner.

Ale zwycięstwo młodej teorii przyniosło gorzką pigułkę: chociaż QCD pięknie opisuje taniec krótko żyjących kwarków i gluonów ujawniony przez ekstremalne zderzenia HERA, teoria ta jest bezużyteczna dla zrozumienia trzech długotrwałych kwarków widocznych w delikatnym bombardowaniu SLAC.

Prognozy QCD są łatwe do zrozumienia tylko wtedy, gdy siła silna jest stosunkowo słaba. A oddziaływanie silne słabnie tylko wtedy, gdy kwarki są bardzo blisko siebie, tak jak w przypadku krótko żyjących par kwark-antykwark. Frank Wilczek, David Gross i David Politzer zidentyfikowali tę definiującą cechę QCD w 1973 roku, zdobywając za nią Nagrodę Nobla 31 lat później.

Ale w przypadku łagodniejszych zderzeń, takich jak SLAC, w których proton zachowuje się jak trzy kwarki, które wzajemnie utrzymują odległość, te kwarki ciągną się nawzajem na tyle silnie, że obliczenia QCD stają się niemożliwe. W ten sposób zadanie dalszej demistyfikacji trzykwarkowego obrazu protonu spadło w dużej mierze na eksperymentatorów. (Naukowcy, którzy przeprowadzają „eksperymenty cyfrowe”, w których prognozy QCD są symulowane na superkomputerach, również dokonali kluczowe wkłady.) I to właśnie w tym obrazie o niskiej rozdzielczości fizycy znajdują niespodzianki.

Urocze nowe spojrzenie

Ostatnio zespół kierowany przez Juana Rojo National Institute for Subatomic Physics w Holandii i VU University Amsterdam przeanalizowały ponad 5,000 migawek protonów wykonanych w ciągu ostatnich 50 lat, wykorzystując uczenie maszynowe do wywnioskowania ruchów kwarków i gluonów wewnątrz protonu w sposób, który pozwala uniknąć teoretycznego domysłu.

 Nowa analiza wykryła rozmycie tła na obrazach, które umknęły przeszłości badaczy. W stosunkowo miękkich zderzeniach, które ledwo rozbijały proton, większość pędu była uwięziona w zwykłych trzech kwarkach: dwóch w górę i w dół. Jednak niewielka ilość pędu wydawała się pochodzić od „czarnego” kwarka i antykwarka powabnego — kolosalnych cząstek elementarnych, z których każda przewyższa cały proton o ponad jedną trzecią.

Krótkotrwałe uroki często pojawiają się w widoku „morza kwarków” protonu (gluony mogą podzielić się na jeden z sześciu różnych typów kwarków, jeśli mają wystarczającą ilość energii). Ale wyniki Rojo i współpracowników sugerują, że amulety mają trwalszą obecność, co czyni je wykrywalnymi w łagodniejszych kolizjach. W tych zderzeniach proton pojawia się jako mieszanina kwantowa lub superpozycja wielu stanów: elektron zwykle napotyka trzy lekkie kwarki. Od czasu do czasu napotka jednak rzadszą „cząsteczkę” pięciu kwarków, takich jak kwark górny, dolny i powabny zgrupowany po jednej stronie oraz kwark górny i antykwark powabny po drugiej.

Tak subtelne szczegóły dotyczące składu protonu mogą mieć konsekwencje. W Wielkim Zderzaczu Hadronów fizycy poszukują nowych cząstek elementarnych, zderzając ze sobą szybkie protony i obserwując, co wyskoczy; aby zrozumieć wyniki, naukowcy muszą najpierw wiedzieć, co jest w protonie. Sporadyczne pojawianie się gigantycznych kwarków powabnych mogłoby: zrzuć szanse tworzenia bardziej egzotycznych cząstek.

A kiedy protony zwane promieniami kosmicznymi lecą tu z kosmosu i uderzają w protony w ziemskiej atmosferze, pojawiające się w odpowiednich momentach kwarki urokliwe zasypują Ziemię neutrina pozaenergetyczne, naukowcy obliczyli w 2021 r. Mogłoby to zmylić obserwatorów poszukiwania dla wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z całego kosmosu.

Współpraca Rojo planuje kontynuować badanie protonu poprzez poszukiwanie nierównowagi między kwarkami powabnymi a antykwarkami. A cięższe składniki, takie jak kwark górny, mogą powodować jeszcze rzadsze i trudniejsze do wykrycia przejawy.

Eksperymenty nowej generacji będą poszukiwać jeszcze bardziej nieznanych funkcji. Fizycy z Brookhaven National Laboratory mają nadzieję uruchomić zderzacz elektronów i jonów w latach 2030. XX wieku i kontynuować to, w którym przerwała HERA, wykonując zdjęcia w wyższej rozdzielczości, które umożliwią pierwsze rekonstrukcje 3D protonu. EIC wykorzysta również wirujące elektrony do stworzenia szczegółowych map spinów wewnętrznych kwarków i gluonów, podobnie jak SLAC i HERA zmapowały ich pędy. Powinno to pomóc naukowcom ostatecznie ustalić pochodzenie spinu protonu i odpowiedzieć na inne fundamentalne pytania dotyczące zaskakującej cząstki, która stanowi większość naszego codziennego świata.