Sile vrtinčenja, tlačni tlaki, merjeni v protonu | Revija Quanta

Fiziki so začeli raziskovati proton, kot da bi bil subatomski planet. Izrezani zemljevidi prikazujejo novo odkrite podrobnosti o notranjosti delca. Protonsko jedro ima pritiske, ki so intenzivnejši kot v kateri koli drugi znani obliki snovi. Na polovici poti do površja se spopadajoči se vrtinci sil potiskajo drug proti drugemu. In "planet" kot celota je manjši, kot so nakazovali prejšnji poskusi.

Eksperimentalne raziskave označujejo naslednjo stopnjo v iskanju razumevanja delca, ki je zasidran v vsakem atomu in sestavlja večino našega sveta.

"V resnici to vidimo kot odpiranje popolnoma nove smeri, ki bo spremenila naš način gledanja na temeljno strukturo materije," je dejal Latifa Elouadrhiri, fizik v Nacionalni pospeševalni ustanovi Thomas Jefferson v Newport Newsu v Virginiji, ki je vključen v prizadevanja.

Poskusi dobesedno osvetlijo proton v novi luči. V desetletjih so raziskovalci natančno preslikali elektromagnetni vpliv pozitivno nabitih delcev. Toda v novi raziskavi fiziki Jefferson Laba namesto tega kartirajo gravitacijski vpliv protona - namreč porazdelitev energij, pritiskov in strižnih napetosti po vsem, ki upogibajo prostorsko-časovno tkanino v in okoli delca. Raziskovalci to počnejo z izkoriščanjem posebnega načina, na katerega lahko pari fotonov, delcev svetlobe, posnemajo graviton, domnevni delec, ki prenaša silo gravitacije. S pingom protona s fotoni posredno sklepajo, kako bi gravitacija vplivala nanj, s čimer uresničijo desetletja stare sanje o zasliševanju protona na ta alternativni način.

"To je tour de force," je rekel Cédric Lorcé, fizik na Ecole Polytechnique v Franciji, ki ni bil vključen v delo. "Eksperimentalno je zelo zapleteno." 

Od fotonov do gravitonov

Fiziki so se v zadnjih 70 letih ogromno naučili o protonu, tako da so ga večkrat zadeli z elektroni. Vedo, da se njegov električni naboj razteza približno 0.8 femtometra ali kvadrilijontin metra od njegovega središča. Vedo, da prihajajoči elektroni ponavadi odvrnejo enega od treh kvarkov – osnovnih delcev z delčki naboja – ki brenčijo v njem. Opazili so tudi zelo nenavadno posledico kvantne teorije, kjer se pri močnejših trkih zdi, da elektroni naleteti na penasto morje sestavljena iz veliko več kvarkov kot tudi gluonov, nosilcev tako imenovane močne sile, ki kvarke zlepi skupaj.

Vse te informacije izvirajo iz ene same nastavitve: izstreliš elektron na proton in delci izmenjajo en sam foton - nosilec elektromagnetne sile - in se potisnejo stran. Ta elektromagnetna interakcija pove fizikom, kako se kvarki kot nabiti objekti nagibajo k urejanju. Toda proton je veliko več kot njegov električni naboj.

"Kako sta materija in energija porazdeljeni?" vprašal Peter Schweitzer, teoretični fizik na Univerzi v Connecticutu. "Ne vemo."

Schweitzer je večino svoje kariere razmišljal o gravitacijski strani protona. Natančneje, zanima ga matrika lastnosti protona, imenovana tenzor energije in impulza. "Tenzor energije in impulza ve vse, kar je treba vedeti o delcu," je dejal.

V teoriji splošne relativnosti Alberta Einsteina, ki predstavlja gravitacijsko privlačnost kot objekte, ki sledijo krivuljam v prostoru-času, tenzor energije in impulza pove prostoru-času, kako naj se upogne. Opisuje na primer razporeditev energije (ali enakovredne mase) — vir levjega deleža zvijanja prostora-časa. Sledi tudi informacijam o tem, kako je zagon porazdeljen, pa tudi o tem, kje bo prišlo do stiskanja ali širjenja, kar lahko tudi rahlo ukrivi prostor-čas.

Če bi se lahko naučili oblike prostora-časa, ki obdaja proton, Ruski in Ameriška fiziki neodvisno izdelali v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, bi lahko sklepali na vse lastnosti, indeksirane v njegovem tenzorju energije in gibalne količine. Ti vključujejo maso in vrtenje protona, ki sta že znana, skupaj z razporeditvijo tlakov in sil protona, kar so skupna lastnina, ki jo fiziki označujejo kot »Druck izraz«, po besedi za pritisk v nemščini. Ta izraz je "tako pomemben kot masa in vrtenje, in nihče ne ve, kaj je," je dejal Schweitzer - čeprav se to začenja spreminjati.

V 60. letih prejšnjega stoletja se je zdelo, kot da bi merjenje tenzorja energije in impulza in izračun Druckovega izraza zahtevalo gravitacijsko različico običajnega eksperimenta sipanja: izstreliš ogromen delec na proton in pustiš, da oba izmenjata graviton – hipotetični delec ki tvori gravitacijske valove - namesto fotona. Toda zaradi izjemne šibkosti gravitacije fiziki pričakujejo, da se bo sipanje gravitona pojavilo 39 redov velikosti redkeje kot sipanje fotonov. Eksperimenti nikakor ne morejo zaznati tako šibkega učinka.

"Spomnim se, da sem o tem bral, ko sem bil študent," je rekel Volker Burkert, član ekipe Jefferson Lab. Zaključek je bil, da "verjetno nikoli ne bomo mogli izvedeti ničesar o mehanskih lastnostih delcev."

Gravitacija brez gravitacije

Gravitacijski poskusi so še danes nepredstavljivi. Toda raziskave v poznih 1990-ih in začetku 2000-ih, ki sta jih opravila fizik Xiangdong Ji in, ločeno, pokojni Maxim Polyakov je pokazala, a rešitev.

Splošna shema je naslednja. Ko narahlo sprožiš elektron proti protonu, ta običajno odda foton enemu od kvarkov in odvrne. Toda v manj kot enem od milijarde dogodkov se zgodi nekaj posebnega. Prihajajoči elektron pošlje noter foton. Kvark ga absorbira in nato srčni utrip kasneje odda še en foton. Ključna razlika je v tem, da ta redek dogodek vključuje dva fotona namesto enega – tako vhodne kot odhodne fotone. Izračuni Jija in Poljakova so pokazali, da bi lahko eksperimentalci, če bi lahko zbrali nastale elektron, proton in foton, iz energij in gibalnih količin teh delcev sklepali, kaj se je zgodilo z obema fotonoma. In ta dvofotonski poskus bi bil v bistvu tako informativen kot nemogoč poskus sipanja gravitona.

Kako lahko dva fotona kaj vesta o gravitaciji? Odgovor vključuje grčasto matematiko. Toda fiziki ponujajo dva načina razmišljanja o tem, zakaj trik deluje.

Fotoni so valovi v elektromagnetnem polju, ki jih je mogoče opisati z eno puščico ali vektorjem na vsaki lokaciji v prostoru, ki kaže vrednost in smer polja. Gravitoni bi bili valovi v geometriji prostora-časa, bolj zapletenem polju, ki ga predstavlja kombinacija dveh vektorjev na vsaki točki. Zajetje gravitona bi fizikom dalo dva vektorja informacij. Poleg tega lahko dva fotona nadomestita graviton, saj skupaj nosita tudi dva vektorja informacije.

Alternativna interpretacija matematike je naslednja. V trenutku, ki preteče med tem, ko kvark absorbira prvi foton in ko odda drugega, kvark sledi poti skozi vesolje. S preizkušanjem te poti lahko spoznamo lastnosti, kot so pritiski in sile, ki obkrožajo pot.

"Ne delamo gravitacijskega eksperimenta," je dejal Lorcé. Toda "morali bi pridobiti posreden dostop do tega, kako naj bi proton deloval z gravitonom." 

Sondiranje planeta Proton

Fiziki laboratorija Jefferson so leta 2000 zbrali nekaj dogodkov dvofotonskega sipanja. Ta dokaz koncepta jih je motiviral, da so izdelali nov eksperiment in leta 2007 so elektrone dovoljkrat razbili v protone, da so zbrali približno 500,000 trkov, ki posnemajo graviton. Analiza eksperimentalnih podatkov je trajala še eno desetletje.

Iz njihovega indeksa lastnosti upogibanja prostora in časa je ekipa izluščila nedosegljiv Druckov izraz in objavila njihova ocena notranjih tlakov protona v Narava v 2018.

Ugotovili so, da v srcu protona močna sila ustvarja pritiske nepredstavljive intenzivnosti - 100 milijard bilijonov bilijonov paskala ali približno 10-kratnik tlaka v srcu nevtronske zvezde. Dlje od središča tlak pade in se sčasoma obrne navznoter, saj mora proton, da se ne raznese. "To izhaja iz eksperimenta," je dejal Burkert. "Da, proton je dejansko stabilen." (Ta ugotovitev nima nobenega vpliva na ali protoni razpadajo, ki pa vključuje drugačno vrsto nestabilnosti, ki jo napovedujejo nekatere špekulativne teorije.)

Skupina Jefferson Lab je nadaljevala z analizo izraza Druck. Objavili so oceno strižnih sil - notranjih sil, ki potiskajo vzporedno s površino protona - kot del pregleda objavljeno decembra. Fiziki so ugotovili, da blizu svojega jedra proton doživi zvijalno silo, ki se nevtralizira z zvijanjem v drugo smer bližje površini. Te meritve prav tako poudarjajo stabilnost delcev. Zasuki so bili pričakovani na podlagi teoretičnega dela Schweitzerja in Polyakova. "Kljub temu je resnično osupljivo videti, kako se prvič pojavi iz eksperimenta," je dejal Elouadrhiri.

Zdaj ta orodja uporabljajo za izračun velikosti protona na nov način. V tradicionalnih poskusih sipanja so fiziki opazili, da se električni naboj delca razteza približno 0.8 femtometra od njegovega središča (to pomeni, da njegovi sestavni kvarki brenčijo naokoli v tem območju). Toda ta "polmer naboja" ima nekaj posebnosti. V primeru nevtrona, na primer – protonovega nevtralnega dvojnika, pri katerem dva negativno nabita kvarka visita globoko v delcu, medtem ko en pozitivno nabit kvark preživi več časa blizu površine – se radij naboja pokaže kot negativno število. . »To ne pomeni, da je velikost negativna; preprosto ni zvesta mera,« je dejal Schweitzer.

Nov pristop meri območje prostora-časa, ki ga proton znatno ukrivi. V predtisku, ki še ni bil strokovno pregledan, je ekipa Jefferson Lab izračunala, da je ta polmer lahko približno 25 % manjši kot polmer naboja, le 0.6 femtometra.

Meje planeta Proton

Konceptualno ta vrsta analize zgladi zamegljen ples kvarkov v trden, planetu podoben objekt, s pritiski in silami, ki delujejo na vsako pikico volumna. Ta zamrznjeni planet ne odseva v celoti hripavega protona v vsej njegovi kvantni veličini, vendar je uporaben model. "To je interpretacija," je dejal Schweitzer.

In fiziki poudarjajo, da so začetni zemljevidi grobi iz nekaj razlogov.

Prvič, natančno merjenje tenzorja energije in impulza bi zahtevalo veliko višje energije trka, kot jih lahko proizvede Jefferson Lab. Ekipa je trdo delala, da bi skrbno ekstrapolirala trende iz razmeroma nizkih energij, do katerih lahko dostopajo, vendar fiziki še vedno niso prepričani, kako natančne so te ekstrapolacije.

Poleg tega je proton več kot njegovi kvarki; vsebuje tudi gluone, ki švigajo naokoli s svojimi pritiski in silami. Dvofotonski trik ne more zaznati učinkov gluonov. Ločena ekipa v Jefferson Labu je uporabila podoben trik (vključuje dvojno gluonsko interakcijo), da je objavila preliminarni gravitacijski zemljevid teh gluonskih učinkov v Narava lani, vendar je tudi ta temeljil na omejenih nizkoenergijskih podatkih.

"To je prvi korak," je dejal Yoshitaka Hatta, fizik iz nacionalnega laboratorija Brookhaven, ki je bil navdihnjen, da je začel preučevati gravitacijski proton po delu skupine Jefferson Lab leta 2018.

Ostrejši gravitacijski zemljevidi tako protonskih kvarkov kot njegovih gluonov bodo morda na voljo v 2030-ih, ko bo začel delovati Electron-Ion Collider, eksperiment, ki se trenutno gradi v Brookhavnu.

Fiziki medtem nadaljujejo z digitalnimi poskusi. Phiala Shanahan, jedrski fizik in fizik delcev na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, vodi ekipo, ki izračunava obnašanje kvarkov in gluonov, začenši z enačbami močne sile. Leta 2019 je s sodelavci ocenili pritiske in strižne sile, oktobra pa so ocenil radij, med drugimi lastnostmi. Doslej so se njihove digitalne ugotovitve na splošno ujemale s fizičnimi ugotovitvami Jefferson Laba. "Vsekakor sem zelo navdušen nad skladnostjo med nedavnimi eksperimentalnimi rezultati in našimi podatki," je dejal Shanahan.

Celo doslej doseženi zamegljeni pogledi na proton so nežno preoblikovali razumevanje raziskovalcev delca.

Nekatere posledice so praktične. V CERN-u, evropski organizaciji, ki upravlja Veliki hadronski trkalnik, največji razbijalec protonov na svetu, so fiziki pred tem domnevali, da so lahko v nekaterih redkih trkih kvarki kjer koli znotraj trkajočih se protonov. Toda zemljevidi, ki jih navdihuje gravitacija, kažejo, da se kvarki v takšnih primerih nagibajo k temu, da visijo blizu središča.

"Modeli, ki jih uporabljajo v CERN-u, so že posodobljeni," je povedal Francois-Xavier Girod, fizik Jefferson Lab, ki je delal na poskusih.

Novi zemljevidi lahko ponudijo tudi smernice za razrešitev ene najglobljih skrivnosti protona: zakaj se kvarki sploh vežejo v protone. Obstaja intuitivni argument, da se močna sila med vsakim parom kvarkov stopnjuje, ko se bolj oddaljujeta, kot elastični trak, kvarki nikoli ne morejo pobegniti svojim tovarišem.

Toda protoni so narejeni iz najlažjih članov družine kvarkov. In lahke kvarke si lahko predstavljamo tudi kot dolge valove, ki segajo čez površino protona. Ta slika nakazuje, da do vezave protona morda ne pride zaradi notranjega vlečenja elastičnih trakov, temveč zaradi neke zunanje interakcije med temi valovitimi, razvlečenimi kvarki. Zemljevid tlaka prikazuje privlačnost močne sile, ki sega vse do 1.4 femtometra in več, kar krepi argument za takšne alternativne teorije.

"To ni dokončen odgovor," je dejal Girod, "vendar kaže na dejstvo, da te preproste slike z elastičnimi trakovi niso pomembne za lahke kvarke."