Forțe de turbionare, presiuni de strivire măsurate în proton | Revista Quanta

Fizicienii au început să exploreze protonul ca și cum ar fi o planetă subatomică. Hărțile tăiate afișează detalii noi ale interiorului particulei. Miezul protonului prezintă presiuni mai intense decât în ​​orice altă formă cunoscută de materie. La jumătatea drumului spre suprafață, vârtejuri de forță se ciocnesc unul împotriva celuilalt. Și „planeta” în ansamblu este mai mică decât sugeraseră experimentele anterioare.

Investigațiile experimentale marchează următoarea etapă în căutarea de a înțelege particulele care ancorează fiecare atom și formează cea mai mare parte a lumii noastre.

„Vedem cu adevărat că deschide o direcție complet nouă, care ne va schimba modul de a privi structura fundamentală a materiei”, a spus Latifa Elouadrhiri, un fizician la Thomas Jefferson National Accelerator Facility din Newport News, Virginia, care este implicat în efort.

Experimentele luminează literalmente o nouă lumină asupra protonului. De-a lungul deceniilor, cercetătorii au cartografiat meticulos influența electromagnetică a particulei încărcate pozitiv. Dar, în noua cercetare, fizicienii Jefferson Lab cartografiază influența gravitațională a protonului - și anume, distribuția energiilor, presiunilor și tensiunilor de forfecare în întreaga, care îndoaie țesătura spațiu-timp în și în jurul particulei. Cercetătorii fac acest lucru exploatând un mod particular în care perechile de fotoni, particule de lumină, pot imita un graviton, particula ipotetică care transmite forța gravitației. Prin ping de proton cu fotoni, ei deduc indirect modul în care gravitația ar interacționa cu el, realizând un vis vechi de zeci de ani de a interoga protonul în acest mod alternativ.

„Este un tur de forță”, a spus Cédric Lorcé, un fizician la Ecole Polytechnique din Franța care nu a fost implicat în lucrare. „Experimental, este extrem de complicat.” 

De la fotoni la gravitoni

Fizicienii au aflat o mulțime de lucruri despre proton în ultimii 70 de ani, lovind-o în mod repetat cu electroni. Ei știu că sarcina sa electrică se extinde la aproximativ 0.8 femtometre, sau cvadrilioane de metru, de la centrul său. Ei știu că electronii care intră tind să arunce o privire spre unul dintre cei trei quarci - particule elementare cu fracțiuni de sarcină - care bâzâie în interiorul său. Ei au observat, de asemenea, consecința profund ciudată a teoriei cuantice în care, în ciocniri mai puternice, electronii par să întâlni o mare spumoasă alcătuit din mult mai mulți quarci, precum și gluoni, purtătorii așa-numitei forțe puternice, care lipește quarcii.

Toate aceste informații provin dintr-o singură configurație: trageți un electron către un proton, iar particulele schimbă un singur foton - purtătorul forței electromagnetice - și se împing unele pe altele. Această interacțiune electromagnetică le spune fizicienilor cum quarkurile, ca obiecte încărcate, tind să se aranjeze. Dar există mult mai mult la proton decât sarcina sa electrică.

„Cum sunt distribuite materia și energia?” întrebă Peter Schweitzer, un fizician teoretician la Universitatea din Connecticut. „Nu știm.”

Schweitzer și-a petrecut cea mai mare parte a carierei gândindu-se la partea gravitațională a protonului. Mai exact, el este interesat de o matrice de proprietăți ale protonului numită tensorul energiei-impuls. „Tensorul energie-impuls știe tot ce trebuie știut despre particulă”, a spus el.

În teoria relativității generale a lui Albert Einstein, care prezintă atracția gravitațională ca obiecte urmând curbe în spațiu-timp, tensorul energie-impuls spune spațiu-timp cum să se îndoaie. Descrie, de exemplu, aranjarea energiei (sau, echivalent, a masei) - sursa cotei leului de răsucire spațiu-timp. De asemenea, urmărește informații despre modul în care este distribuit impulsul, precum și unde va exista compresie sau expansiune, care poate, de asemenea, curba ușor spațiu-timp.

Dacă am putea afla forma spațiu-timpului care înconjoară un proton, Rusă și american fizicienii au elaborat în mod independent în anii 1960, am putea deduce toate proprietățile indexate în tensorul său energie-impuls. Acestea includ masa și spin-ul protonului, care sunt deja cunoscute, împreună cu aranjarea presiunilor și forțelor protonului, o proprietate colectivă pe care fizicienii se referă ca „termen Druck”, după cuvântul pentru presiune în germană. Acest termen este „la fel de important ca masa și spinul și nimeni nu știe ce este”, a spus Schweitzer – deși asta începe să se schimbe.

În anii '60, se părea că măsurarea tensorului energie-impuls și calcularea termenului Druck ar necesita o versiune gravitațională a experimentului obișnuit de împrăștiere: trageți o particulă masivă către un proton și îi lăsați pe cei doi să schimbe un graviton - particula ipotetică. care formează undele gravitaționale – mai degrabă decât un foton. Dar, din cauza slăbiciunii extreme a gravitației, fizicienii se așteaptă ca împrăștierea gravitonului să aibă loc cu 39 de ordine de mărime mai rar decât împrăștierea fotonilor. Experimentele nu pot detecta un efect atât de slab.

„Îmi amintesc că am citit despre asta când eram student”, a spus Volker Burkert, membru al echipei Jefferson Lab. Rezultatul a fost că „probabil că nu vom putea niciodată să învățăm nimic despre proprietățile mecanice ale particulelor”.

Gravitație fără gravitație

Experimentele gravitaționale sunt încă de neimaginat astăzi. Dar cercetările de la sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000 de către fizicienii Xiangdong Ji și, lucrând separat, regretatul Maxim Polyakov dezvăluit a workaround.

Schema generală este următoarea. Când trageți ușor un electron către un proton, acesta eliberează de obicei un foton către unul dintre quarci și aruncă privirea. Dar în mai puțin de un eveniment dintr-un miliard, se întâmplă ceva special. Electronul primit trimite un foton. Un quarc îl absoarbe și apoi emite un alt foton o bătaie a inimii mai târziu. Diferența cheie este că acest eveniment rar implică doi fotoni în loc de unul - atât fotoni de intrare, cât și fotoni de ieșire. Calculele lui Ji și Polyakov au arătat că, dacă experimentații ar putea colecta electronii, protonii și fotonii rezultati, ar putea deduce din energiile și impulsurile acestor particule ce s-a întâmplat cu cei doi fotoni. Și acel experiment cu doi fotoni ar fi în esență la fel de informativ ca și imposibilul experiment de împrăștiere gravitonului.

Cum ar putea doi fotoni să știe ceva despre gravitație? Răspunsul implică matematică noduroasă. Dar fizicienii oferă două moduri de a gândi de ce funcționează trucul.

Fotonii sunt ondulații în câmpul electromagnetic, care pot fi descrise printr-o singură săgeată, sau vector, în fiecare locație din spațiu, indicând valoarea și direcția câmpului. Gravitonii ar fi ondulații în geometria spațiului-timp, un câmp mai complicat reprezentat de o combinație de doi vectori în fiecare punct. Captarea unui graviton le-ar oferi fizicienilor doi vectori de informație. Pe scurt, doi fotoni pot reprezenta un graviton, deoarece ei transportă împreună doi vectori de informație.

O interpretare alternativă a matematicii este următoarea. În momentul care se scurge între momentul în care un quarc absoarbe primul foton și când îl emite pe al doilea, quarcul urmează o cale prin spațiu. Analizând această cale, putem afla despre proprietăți precum presiunile și forțele care înconjoară calea.

„Nu facem un experiment gravitațional”, a spus Lorcé. Dar „ar trebui să obținem acces indirect la modul în care un proton ar trebui să interacționeze cu un graviton”. 

Sondarea planetei Proton

Fizicienii Jefferson Lab au reunit câteva evenimente de împrăștiere cu doi fotoni în 2000. Această dovadă a conceptului i-a motivat să construiască un nou experiment, iar în 2007, au spart electronii în protoni de destule ori pentru a acumula aproximativ 500,000 de coliziuni care mimează gravitonii. Analiza datelor experimentale a durat încă un deceniu.

Din indicele lor de proprietăți de curbare spațiu-timp, echipa a extras termenul evaziv Druck, publicând estimarea lor a presiunilor interne ale protonului în Natură în 2018.

Ei au descoperit că în inima protonului, forța puternică generează presiuni de o intensitate inimaginabilă - 100 de miliarde de trilioane de trilioane de pascali, sau de aproximativ 10 ori presiunea din inima unei stele neutronice. Mai departe de centru, presiunea scade și în cele din urmă se întoarce spre interior, așa cum trebuie pentru ca protonul să nu se destrame. „Acest lucru rezultă din experiment”, a spus Burkert. „Da, un proton este de fapt stabil.” (Această constatare nu are nicio legătură dacă protonii se descompun, cu toate acestea, care implică un alt tip de instabilitate prezis de unele teorii speculative.)

Grupul Jefferson Lab a continuat să analizeze termenul Druck. Ei au lansat o estimare a forțelor tăietoare - forțe interne care împing paralel cu suprafața protonului - ca parte a unei revizuiri publicat în decembrie. Fizicienii au descoperit că aproape de miezul său, protonul experimentează o forță de răsucire care este neutralizată printr-o răsucire în cealaltă direcție, mai aproape de suprafață. Aceste măsurători subliniază, de asemenea, stabilitatea particulei. Întorsăturile au fost așteptate pe baza lucrărilor teoretice ale lui Schweitzer și Polyakov. „Cu toate acestea, a fi martor la ieșirea din experiment pentru prima dată este cu adevărat uluitor”, a spus Elouadrhiri.

Acum folosesc aceste instrumente pentru a calcula mărimea protonului într-un mod nou. În experimentele tradiționale de împrăștiere, fizicienii au observat că sarcina electrică a particulei se extinde la aproximativ 0.8 femtometri de centrul ei (adică quarkurile sale constitutive zumzăie în acea regiune). Dar acea „rază de încărcare” are câteva ciudații. În cazul neutronului, de exemplu - omologul neutru al protonului, în care doi quarci încărcați negativ tind să atârne adânc în interiorul particulei, în timp ce un quark încărcat pozitiv petrece mai mult timp lângă suprafață - raza de încărcare apare ca un număr negativ . „Nu înseamnă că dimensiunea este negativă; pur și simplu nu este o măsură fidelă”, a spus Schweitzer.

Noua abordare măsoară regiunea spațiu-timp care este curbată semnificativ de proton. Într-o preprint care nu a fost încă revizuită de colegi, echipa Jefferson Lab a calculat că această rază poate fi cu aproximativ 25% mai mic decât raza de încărcare, doar 0.6 femtometre.

Limitele planetei Proton

Din punct de vedere conceptual, acest tip de analiză netezește dansul neclar al quarcilor într-un obiect solid, asemănător planetei, cu presiuni și forțe care acționează asupra fiecărei bucăți de volum. Acea planetă înghețată nu reflectă pe deplin protonul zgomotos în toată gloria sa cuantică, dar este un model util. „Este o interpretare”, a spus Schweitzer.

Și fizicienii subliniază că hărțile inițiale sunt brute, din câteva motive.

În primul rând, măsurarea precisă a tensorului energie-impuls ar necesita energii de coliziune mult mai mari decât le poate produce Jefferson Lab. Echipa a muncit din greu pentru a extrapola cu atenție tendințele din energiile relativ scăzute la care pot accesa, dar fizicienii rămân nesiguri cât de precise sunt aceste extrapolări.

Mai mult, protonul este mai mult decât quarcii săi; conține, de asemenea, gluoni, care zboară cu propriile lor presiuni și forțe. Trucul cu doi fotoni nu poate detecta efectele gluonilor. O echipă separată de la Jefferson Lab a folosit un truc analog (care implică o interacțiune dublu-gluon) pentru a publica o hartă gravitațională preliminară a acestor efecte gluon în Natură anul trecut, dar și el s-a bazat pe date limitate, cu consum redus de energie.

„Este un prim pas”, a spus Yoshitaka Hatta, un fizician la Brookhaven National Laboratory, care a fost inspirat să înceapă să studieze protonul gravitațional după munca grupului Jefferson Lab din 2018.

Hărți gravitaționale mai clare atât ale cuarcilor protonului, cât și ale gluonilor săi ar putea apărea în anii 2030, când va începe operațiunile Electron-Ion Collider, un experiment aflat în prezent în construcție la Brookhaven.

Între timp, fizicienii continuă cu experimente digitale. Phiala Shanahan, un fizician nuclear și de particule la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, conduce o echipă care calculează comportamentul quarcilor și gluonilor pornind de la ecuațiile forței puternice. În 2019, ea și colaboratorii ei a estimat presiunile și forțele de forfecare, iar în octombrie, acestea a estimat raza, printre alte proprietăți. Până acum, descoperirile lor digitale s-au aliniat în mare măsură cu cele fizice ale Jefferson Lab. „Sunt cu siguranță destul de încântat de consistența dintre rezultatele experimentale recente și datele noastre”, a spus Shanahan.

Chiar și imaginile neclare ale protonului obținute până acum au remodelat ușor înțelegerea de către cercetători a particulei.

Unele consecințe sunt practice. La CERN, organizația europeană care conduce Large Hadron Collider, cel mai mare zdrobitor de protoni din lume, fizicienii au presupus anterior că, în anumite ciocniri rare, quarcii ar putea fi oriunde în protonii care se ciocnesc. Dar hărțile inspirate gravitațional sugerează că quarcii au tendința de a sta în apropierea centrului în astfel de cazuri.

„Modelele pe care le folosesc la CERN au fost deja actualizate”, a spus Francois-Xavier Girod, un fizician Jefferson Lab care a lucrat la experimente.

Noile hărți pot oferi, de asemenea, îndrumări pentru rezolvarea unuia dintre cele mai profunde mistere ale protonului: de ce quarcii se leagă de protoni. Există un argument intuitiv că, deoarece forța puternică dintre fiecare pereche de quarci se intensifică pe măsură ce se depărtează, ca o bandă elastică, quarkurile nu pot scăpa niciodată de camarazii lor.

Dar protonii sunt formați din cei mai ușori membri ai familiei de quarci. Iar quarcurile ușoare pot fi considerate, de asemenea, valuri lungi care se extind dincolo de suprafața protonului. Această imagine sugerează că legarea protonului poate avea loc nu prin tragerea internă a benzilor elastice, ci printr-o interacțiune externă între acești quarci ondulați și întinși. Harta presiunii arată atracția forței puternice care se extinde până la 1.4 femtometre și mai mult, întărind argumentul pentru astfel de teorii alternative.

„Nu este un răspuns cert”, a spus Girod, „dar indică faptul că aceste imagini simple cu benzi elastice nu sunt relevante pentru quarcii de lumină.”