Вихревые силы и разрушающее давление, измеренные в протоне | Журнал Кванта

Физики начали исследовать протон, как если бы это была субатомная планета. Карты в разрезе отображают новые детали внутренней части частицы. В ядре протона наблюдается более сильное давление, чем в любой другой известной форме материи. На полпути к поверхности сталкивающиеся вихри силы толкают друг друга. И «планета» в целом меньше, чем предполагали предыдущие эксперименты.

Экспериментальные исследования знаменуют собой следующий этап в поисках понимания частицы, которая удерживает каждый атом и составляет основную часть нашего мира.

«Мы действительно рассматриваем это как открытие совершенно нового направления, которое изменит наш взгляд на фундаментальную структуру материи», — сказал он. Латифа Элуадрири, физик из Национального ускорительного центра Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния, который участвует в этих усилиях.

Эксперименты буквально проливают новый свет на протон. На протяжении десятилетий исследователи тщательно исследовали электромагнитное влияние положительно заряженной частицы. Но в новом исследовании физики из Лаборатории Джефферсона вместо этого картируют гравитационное влияние протона, а именно, распределение энергий, давлений и сдвиговых напряжений повсюду, которые изгибают ткань пространства-времени внутри и вокруг частицы. Исследователи делают это, используя своеобразный способ, которым пары фотонов, частиц света, могут имитировать гравитон, предполагаемую частицу, передающую силу гравитации. Посылая протон фотонам, они косвенно делают вывод о том, как гравитация будет с ним взаимодействовать, реализуя давнюю мечту о допросе протона этим альтернативным способом.

«Это проявление силы», — сказал Седрик Лорсе, физик из Политехнической школы во Франции, не принимавший участия в работе. «Экспериментально это чрезвычайно сложно». 

От фотонов к гравитонам

Физики узнали огромное количество информации о протоне за последние 70 лет, неоднократно сталкивая его с электронами. Они знают, что его электрический заряд простирается примерно на 0.8 фемтометра, или квадриллионные доли метра, от его центра. Они знают, что поступающие электроны имеют тенденцию отскакивать от одного из трех кварков — элементарных частиц с определенным зарядом — которые жужжат внутри него. Они также наблюдали очень странное следствие квантовой теории, когда при более сильных столкновениях электроны кажутся столкнуться с пенистым морем состоит из гораздо большего количества кварков, а также глюонов, носителей так называемого сильного взаимодействия, которое склеивает кварки вместе.

Вся эта информация поступает из одной установки: вы запускаете электрон в протон, и частицы обмениваются одним фотоном — носителем электромагнитной силы — и отталкивают друг друга. Это электромагнитное взаимодействие сообщает физикам, как кварки, будучи заряженными объектами, имеют тенденцию организовываться. Но у протона есть нечто большее, чем его электрический заряд.

«Как распределяются материя и энергия?» спросил Питер Швейцер, физик-теоретик из Университета Коннектикута. «Мы не знаем».

Швейцер провел большую часть своей карьеры, размышляя о гравитационной стороне протона. В частности, его интересует матрица свойств протона, называемая тензором энергии-импульса. «Тензор энергии-импульса знает все, что можно знать о частице», — сказал он.

В общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая рассматривает гравитационное притяжение как объекты, движущиеся по кривым в пространстве-времени, тензор энергии-импульса сообщает пространству-времени, как изгибаться. Он описывает, например, расположение энергии (или, что то же самое, массы) — источника львиной доли искривления пространства-времени. Он также отслеживает информацию о том, как распределяется импульс, а также о том, где произойдет сжатие или расширение, что также может слегка искривить пространство-время.

Если бы мы могли узнать форму пространства-времени, окружающего протон, Русский и американские физики независимо друг от друга разработали в 1960-х годах, мы могли вывести все свойства, включенные в его тензор энергии-импульса. К ним относятся масса и спин протона, которые уже известны, а также расположение протонных давлений и сил, коллективное свойство, которое физики называют «термином Друка», по названию немецкого слова «давление». Этот термин «так же важен, как масса и спин, и никто не знает, что это такое», — сказал Швейцер, — хотя ситуация начинает меняться.

В 60-х годах казалось, что для измерения тензора энергии-импульса и расчета члена Драка потребуется гравитационная версия обычного эксперимента по рассеянию: вы запускаете массивную частицу в протон и позволяете им обменяться гравитоном — гипотетической частицей. это создает гравитационные волны, а не фотон. Но из-за крайней слабости гравитации физики ожидают, что рассеяние гравитонов будет происходить на 39 порядков реже, чем рассеяние фотонов. Эксперименты не могут обнаружить столь слабый эффект.

«Я помню, как читал об этом, когда был студентом», — сказал Фолькер Буркерт, член команды лаборатории Джефферсона. Вывод заключался в том, что «мы, вероятно, никогда ничего не сможем узнать о механических свойствах частиц».

Гравитация без гравитации

Гравитационные эксперименты сегодня все еще немыслимы. Но исследования конца 1990-х — начала 2000-х годов физиков Сяндуна Цзи и, работавших отдельно, покойного Максима Полякова показал, a обходной путь.

Общая схема следующая. Когда вы слегка направляете электрон в протон, он обычно доставляет фотон к одному из кварков и отскакивает. Но менее чем в одном случае из миллиарда происходит что-то особенное. Входящий электрон посылает фотон. Кварк поглощает его, а затем через мгновение испускает еще один фотон. Ключевое отличие состоит в том, что в этом редком событии участвуют два фотона вместо одного — как входящего, так и исходящего. Расчеты Джи и Полякова показали, что если бы экспериментаторы смогли собрать образовавшиеся электрон, протон и фотон, они могли бы сделать вывод, исходя из энергий и импульсов этих частиц, что произошло с двумя фотонами. И этот двухфотонный эксперимент будет, по сути, столь же информативным, как и невозможный эксперимент по рассеянию гравитонов.

Откуда два фотона могут знать что-либо о гравитации? Ответ включает в себя сложную математику. Но физики предлагают два подхода к объяснению того, почему этот трюк работает.

Фотоны — это пульсации электромагнитного поля, которые можно описать одной стрелкой или вектором в каждом месте пространства, указывающим значение и направление поля. Гравитоны были бы рябью в геометрии пространства-времени, более сложном поле, представленном комбинацией двух векторов в каждой точке. Захват гравитона дал бы физикам два вектора информации. Если не считать этого, два фотона могут заменить гравитон, поскольку они вместе несут два вектора информации.

Альтернативная интерпретация математики выглядит следующим образом. В течение момента, который проходит между поглощением кварком первого фотона и испусканием второго, кварк следует по пути в пространстве. Исследуя этот путь, мы можем узнать о таких свойствах, как давление и силы, окружающие путь.

«Мы не проводим гравитационный эксперимент», — сказал Лорсе. Но «мы должны получить косвенный доступ к тому, как протон должен взаимодействовать с гравитоном». 

Зондирование планеты Протон

Физики Лаборатории Джефферсона собрали воедино несколько событий двухфотонного рассеяния в 2000 году. Это доказательство концепции побудило их построить новый эксперимент, и в 2007 году они сталкивали электроны с протонами достаточное количество раз, чтобы накопить примерно 500,000 XNUMX столкновений, имитирующих гравитоны. Анализ экспериментальных данных занял еще десятилетие.

Из своего индекса свойств искривления пространства-времени команда извлекла неуловимый термин Драка и опубликовала их оценка внутреннего давления протона в природа в 2018 году.

Они обнаружили, что в сердце протона сильное взаимодействие создает давление невообразимой интенсивности — 100 миллиардов триллионов триллионов паскалей, что примерно в 10 раз превышает давление в сердце нейтронной звезды. Дальше от центра давление падает и в конечном итоге поворачивается внутрь, как и должно быть, чтобы протон не разлетелся на части. «Это результат эксперимента», — сказал Буркерт. «Да, протон на самом деле стабилен». (Этот вывод не имеет никакого отношения к распадаются ли протоны, однако это связано с нестабильностью другого типа, предсказываемой некоторыми спекулятивными теориями.)

Группа лаборатории Джефферсона продолжила анализировать термин Драка. В рамках обзора они опубликовали оценку поперечных сил — внутренних сил, действующих параллельно поверхности протона. опубликовано в декабре. Физики обнаружили, что вблизи своего ядра протон испытывает скручивающую силу, которая нейтрализуется скручиванием в другом направлении ближе к поверхности. Эти измерения также подчеркивают стабильность частицы. Повороты были ожидаемы, основываясь на теоретических работах Швейцера и Полякова. «Тем не менее, впервые увидеть, как он появляется в результате эксперимента, действительно поразительно», — сказал Элуадрири.

Теперь они используют эти инструменты для расчета размера протона по-новому. В традиционных экспериментах по рассеянию физики заметили, что электрический заряд частицы простирается примерно на 0.8 фемтометра от ее центра (то есть в этой области вращаются составляющие ее кварки). Но этот «радиус заряда» имеет некоторые особенности. Например, в случае нейтрона — нейтрального аналога протона, в котором два отрицательно заряженных кварка имеют тенденцию находиться глубоко внутри частицы, в то время как один положительно заряженный кварк проводит больше времени вблизи поверхности — радиус заряда представляет собой отрицательное число. . «Это не означает, что размер отрицательный; это просто не точный показатель», — сказал Швейцер.

Новый подход измеряет область пространства-времени, значительно искривленную протоном. В препринте, который еще не прошел рецензирование, команда лаборатории Джефферсона подсчитала, что этот радиус может быть примерно на 25% меньше чем радиус заряда, всего на 0.6 фемтометра.

Пределы планеты Протон

Концептуально этот вид анализа сглаживает размытый танец кварков в твердый, похожий на планету объект, с давлением и силами, действующими на каждую частичку объема. Эта замороженная планета не полностью отражает хриплый протон во всей его квантовой красе, но это полезная модель. «Это интерпретация», — сказал Швейцер.

Физики подчеркивают, что первоначальные карты являются приблизительными по нескольким причинам.

Во-первых, точное измерение тензора энергии-импульса потребует гораздо более высоких энергий столкновения, чем может произвести лаборатория Джефферсона. Команда усердно работала, чтобы тщательно экстраполировать тенденции на основе относительно низких энергий, к которым они могут получить доступ, но физики по-прежнему не уверены, насколько точны эти экстраполяции.

Более того, протон — это нечто большее, чем его кварки; он также содержит глюоны, которые движутся под собственным давлением и силами. Двухфотонный трюк не может обнаружить эффекты глюонов. Отдельная группа из лаборатории Джефферсона использовала аналогичный трюк (включающий двойное глюонное взаимодействие), чтобы опубликовать предварительную гравитационную карту этих глюонных эффектов в природа в прошлом году, но оно также было основано на ограниченных данных о низкой энергии.

«Это первый шаг», — сказал Ёситака Хатта, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории, который был вдохновлен начать изучение гравитационного протона после работы группы лаборатории Джефферсона в 2018 году.

Более точные гравитационные карты как кварков протона, так и его глюонов могут появиться в 2030-х годах, когда начнет работу электрон-ионный коллайдер, эксперимент, который сейчас строится в Брукхейвене.

Тем временем физики продолжают проводить цифровые эксперименты. Фиала Шанахан, физик-ядерщик и физик элементарных частиц из Массачусетского технологического института, возглавляет группу, которая рассчитывает поведение кварков и глюонов, исходя из уравнений сильного взаимодействия. В 2019 году она и ее коллеги оценил давление и поперечные силы, а в октябре они оценил радиус, среди прочего имущества. На данный момент их цифровые результаты в целом совпадают с физическими данными лаборатории Джефферсона. «Я, конечно, очень воодушевлен соответствием между недавними экспериментальными результатами и нашими данными», — сказал Шанахан.

Даже размытые изображения протона, полученные к настоящему времени, мягко изменили понимание исследователями этой частицы.

Некоторые последствия имеют практический характер. В ЦЕРН, европейской организации, управляющей Большим адронным коллайдером, крупнейшим в мире ускорителем протонов, физики ранее предполагали, что в некоторых редких столкновениях кварки могут находиться где угодно внутри сталкивающихся протонов. Но карты, вдохновленные гравитацией, предполагают, что в таких случаях кварки имеют тенденцию зависать ближе к центру.

«Модели, которые они используют в ЦЕРНе, уже обновлены», — сказал Франсуа-Ксавье Жирод, физик из лаборатории Джефферсона, который работал над экспериментами.

Новые карты могут также предложить руководство к разгадке одной из глубочайших загадок протона: почему кварки вообще связываются с протонами. Существует интуитивный аргумент, что, поскольку сильное взаимодействие между каждой парой кварков усиливается по мере того, как они удаляются друг от друга, подобно эластичной ленте, кварки никогда не смогут ускользнуть от своих товарищей.

Но протоны состоят из самых легких членов семейства кварков. А легкие кварки также можно рассматривать как длинные волны, выходящие за пределы поверхности протона. Эта картина предполагает, что связывание протона может происходить не за счет внутреннего натяжения упругих лент, а за счет какого-то внешнего взаимодействия между этими волнистыми, вытянутыми кварками. Карта давления показывает, что притяжение сильной силы простирается до 1.4 фемтометра и выше, что усиливает аргументы в пользу таких альтернативных теорий.

«Это не однозначный ответ, — сказал Жирод, — но он указывает на тот факт, что эти простые изображения с эластичными лентами не имеют отношения к легким кваркам».