Inuti protonen, det "mest komplicerade du kan tänka dig"

Mer än ett sekel efter att Ernest Rutherford upptäckte den positivt laddade partikeln i hjärtat av varje atom, kämpar fysiker fortfarande för att helt förstå protonen.

Gymnasielärare i fysik beskriver dem som karaktärslösa bollar med en enhet vardera av positiv elektrisk laddning - de perfekta folierna för de negativt laddade elektronerna som surrar runt dem. Studenter lär sig att bollen faktiskt är en bunt av tre elementära partiklar som kallas kvarkar. Men årtionden av forskning har avslöjat en djupare sanning, en som är för bisarr för att helt fånga med ord eller bilder.

"Det här är det mest komplicerade du kan tänka dig," sa Mike Williams, fysiker vid Massachusetts Institute of Technology. "Du kan faktiskt inte ens föreställa dig hur komplicerat det är."

Protonen är ett kvantmekaniskt objekt som existerar som ett dis av sannolikheter tills ett experiment tvingar det att ta en konkret form. Och dess former skiljer sig drastiskt beroende på hur forskarna lägger upp sitt experiment. Att koppla ihop partikelns många ansikten har varit generationers arbete. "Vi har precis börjat förstå det här systemet på ett fullständigt sätt," sa Richard Milner, en kärnfysiker vid MIT.

Allt eftersom jakten fortsätter tumlar protonens hemligheter ut. Senast, a monumental dataanalys publicerades i augusti fann att protonen innehåller spår av partiklar som kallas charmkvarkar som är tyngre än själva protonen.

Protonen "har varit ödmjuk för människor", sa Williams. "Varje gång du tror att du har koll på det, kastar det dig några kurvor."

Nyligen satte sig Milner, tillsammans med Rolf Ent på Jefferson Lab, MIT-filmskaparna Chris Boebel och Joe McMaster, och animatören James LaPlante, för att omvandla en uppsättning mystiska plot som sammanställer resultaten av hundratals experiment till en serie animationer av formen. -skiftande proton. Vi har införlivat deras animationer i vårt eget försök att avslöja dess hemligheter.

Sprickbildning Öppna protonen

Beviset på att protonen innehåller mängder kom från Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) 1967. I tidigare experiment hade forskare kastat elektroner på den och sett dem rikoschettera som biljardbollar. Men SLAC kunde kasta elektroner mer kraftfullt, och forskare såg att de studsade tillbaka annorlunda. Elektronerna träffade protonen tillräckligt hårt för att krossa den - en process som kallas djup oelastisk spridning - och studsade tillbaka från punktliknande skärvor av protonen som kallas kvarkar. "Det var det första beviset på att kvarkar faktiskt existerar," sa Xiaochao Zheng, fysiker vid University of Virginia.

Efter SLAC:s upptäckt, som vann Nobelpriset i fysik 1990, intensifierades granskningen av protonen. Fysiker har hittills genomfört hundratals spridningsexperiment. De härleder olika aspekter av objektets inre genom att justera hur kraftfullt de bombarderar det och genom att välja vilka spridda partiklar de samlar in i efterdyningarna.

Genom att använda elektroner med högre energi, kan fysiker fälla ut finare egenskaper hos målprotonen. På detta sätt sätter elektronenergin den maximala upplösningsförmågan för ett experiment med djup oelastisk spridning. Kraftfullare partikelkolliderare ger en skarpare bild av protonen.

Kolliderare med högre energi producerar också ett bredare utbud av kollisionsresultat, vilket låter forskare välja olika delmängder av de utgående elektronerna att analysera. Denna flexibilitet har visat sig vara nyckeln till att förstå kvarkar, som bryr sig om inuti protonen med olika momentum.

Genom att mäta energin och banan för varje spridd elektron kan forskare se om den har tittat på en kvark som bär en stor del av protonens totala rörelsemängd eller bara en liten bit. Genom upprepade kollisioner kan de ta något som en folkräkning — avgöra om protonens rörelsemängd är mestadels bundet upp i några kvarkar, eller fördelat över många.

Även SLAC:s protondelande kollisioner var milda med dagens standarder. I dessa spridningshändelser sköt elektroner ofta ut på ett sätt som tyder på att de hade kraschat in i kvarkar som bär en tredjedel av protonens totala rörelsemängd. Fyndet matchade en teori från Murray Gell-Mann och George Zweig, som 1964 ansåg att en proton består av tre kvarkar.

Gell-Mann och Zweigs "kvarkmodell" är fortfarande ett elegant sätt att föreställa sig protonen. Den har två "uppåt" kvarkar med elektriska laddningar på +2/3 vardera och en "nedåt" kvarkar med en laddning på -1/3, för en total protonladdning på +1.

Men kvarkmodellen är en överförenkling som har allvarliga brister.

Det misslyckas till exempel när det kommer till en protons spinn, en kvantegenskap som är analog med rörelsemängd. Protonen har en halv enhet av spin, liksom var och en av dess upp- och nedkvarkar. Fysiker antog först att - i en beräkning som återspeglar den enkla laddningsaritmetiken - måste halvenheterna för de två uppkvarkarna minus den för nedkvarken vara lika med en halv enhet för protonen som helhet. Men 1988, European Muon Collaboration rapporterade att kvarkspinnarna blir mycket mindre än hälften. På samma sätt utgör massorna av två uppkvarkar och en nedkvarkar bara cirka 1 % av protonens totala massa. Dessa underskott drev hem en punkt som fysiker redan började inse: protonen är mycket mer än tre kvarkar.

Mycket mer än tre kvarkar

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), som fungerade i Hamburg, Tyskland, från 1992 till 2007, slog in elektroner i protoner ungefär tusen gånger mer kraftfullt än SLAC hade. I HERA-experiment kunde fysiker välja elektroner som hade studsat av kvarkar med extremt lågt momentum, inklusive de som bär så lite som 0.005% av protonens totala rörelsemängd. Och upptäcka dem de gjorde: HERA:s elektroner studsade från en malström av kvarkar med låg momentum och deras motsvarigheter mot materia, antikvarkar.

Resultaten bekräftade en sofistikerad och besynnerlig teori som då hade ersatt Gell-Mann och Zweigs kvarkmodell. Utvecklad på 1970-talet var det en kvantteori om den "starka kraften" som verkar mellan kvarkar. Teorin beskriver kvarkar som hopkopplade av kraftbärande partiklar som kallas gluoner. Varje kvark och varje gluon har en av tre typer av "färgladdning", märkta röd, grön och blå; dessa färgladdade partiklar drar naturligt i varandra och bildar en grupp - till exempel en proton - vars färger blir en neutral vit. Den färgglada teorin blev känd som quantum chromodynamik, eller QCD.

Enligt QCD kan gluoner ta upp tillfälliga toppar av energi. Med denna energi delas en gluon i en kvark och en antikvark - var och en bär en liten bit av fart - innan paret förintar och försvinner. Mindre energispikar producerar kvarkpar med lägre momentum, som lever kortare liv. Det är detta "hav" av gluoner, kvarkar och antikvarkar som HERA, med sin större känslighet för partiklar med lägre momentum, upptäckte på egen hand.

HERA plockade också upp tips om hur protonen skulle se ut i kraftfullare kolliderare. När fysiker justerade HERA för att leta efter kvarkar med lägre moment, dök dessa kvarkar - som kommer från gluoner - upp i allt större antal. Resultaten antydde att i kollisioner med ännu högre energi skulle protonen framstå som ett moln som nästan helt består av gluoner.

Gluonmaskrosen är precis vad QCD förutspår. "HERA-data är ett direkt experimentellt bevis på att QCD beskriver naturen," sa Milner.

Men den unga teorins seger kom med ett bittert piller: Medan QCD vackert beskrev dansen av kortlivade kvarkar och gluoner som avslöjades av HERA:s extrema kollisioner, är teorin värdelös för att förstå de tre långvariga kvarkar som sågs i SLAC:s milda bombardemang.

QCD:s förutsägelser är lätta att förstå endast när den starka kraften är relativt svag. Och den starka kraften försvagas först när kvarkar är extremt nära varandra, eftersom de är i kortlivade kvarka-antikvark-par. Frank Wilczek, David Gross och David Politzer identifierade denna avgörande egenskap hos QCD 1973 och vann Nobelpriset för det 31 år senare.

Men för mildare kollisioner som SLAC:s, där protonen fungerar som tre kvarkar som ömsesidigt håller sitt avstånd, drar dessa kvarkar på varandra tillräckligt starkt för att QCD-beräkningar blir omöjliga. Uppgiften att ytterligare avmystifiera trekvarksynen av protonen har alltså till stor del fallit på experimentalister. (Forskare som kör "digitala experiment", där QCD-förutsägelser simuleras på superdatorer, har också gjort viktiga bidrag.) Och det är i den här lågupplösta bilden som fysiker fortsätter att hitta överraskningar.

En charmig ny utsikt

Nyligen har ett team ledd av Juan Rojo från National Institute for Subatomic Physics i Nederländerna och VU University Amsterdam analyserade mer än 5,000 50 ögonblicksbilder av protoner tagna under de senaste XNUMX åren, med hjälp av maskininlärning för att sluta sig till rörelserna hos kvarkar och gluoner inuti protonen på ett sätt som kringgår teoretiska gissningar.

 Den nya granskningen plockade upp en bakgrundsoskärpa i bilderna som hade undgått tidigare forskare. I relativt mjuka kollisioner som knappt bröt upp protonen, låstes det mesta av momentumet i de vanliga tre kvarkarna: två upp och en nedåt. Men en liten mängd momentum verkade komma från en "charm" kvarg och charmantikvark - kolossala elementarpartiklar som var och en uppväger hela protonen med mer än en tredjedel.

Kortlivade berlocker dyker ofta upp i "kvarkhavet" -vyn av protonen (gluoner kan delas upp i någon av sex olika kvarktyper om de har tillräckligt med energi). Men resultaten från Rojo och kollegor tyder på att berlockerna har en mer permanent närvaro, vilket gör dem upptäckbara vid mildare kollisioner. I dessa kollisioner uppträder protonen som en kvantblandning, eller superposition, av flera tillstånd: En elektron möter vanligtvis de tre lättviktskvarkarna. Men den kommer då och då att stöta på en sällsyntare "molekyl" av fem kvarkar, till exempel en upp-, ner- och charm-kvark grupperad på ena sidan och en upp-kvark och charmantikvark på den andra.

Sådana subtila detaljer om protonens makeup kan visa sig vara följdriktiga. Vid Large Hadron Collider söker fysiker efter nya elementarpartiklar genom att slå ihop höghastighetsprotoner och se vad som dyker upp; för att förstå resultaten måste forskarna veta vad som finns i en proton till att börja med. En och annan uppenbarelse av gigantiska charmkvarkar skulle kasta bort oddsen att göra mer exotiska partiklar.

Och när protoner som kallas kosmiska strålar susar hit från yttre rymden och slår in i protoner i jordens atmosfär, skulle charmkvarkar som dyker upp i rätt ögonblick överösa jorden med extraenergiska neutrinos, beräknade forskare 2021. Dessa kan förvirra observatörer söka för högenergineutriner som kommer från hela kosmos.

Rojos samarbete planerar att fortsätta utforska protonen genom att söka efter en obalans mellan charmkvarkar och antikvarkar. Och tyngre beståndsdelar, som toppkvarken, kan göra ännu sällsynta och svårare att upptäcka framträdanden.

Nästa generations experiment kommer att söka ännu fler okända funktioner. Fysiker vid Brookhaven National Laboratory hoppas kunna sätta igång Electron-Ion Collider på 2030-talet och fortsätta där HERA slutade och ta ögonblicksbilder med högre upplösning som kommer att möjliggöra de första 3D-rekonstruktionerna av protonen. EIC kommer också att använda snurrande elektroner för att skapa detaljerade kartor över spinn av de interna kvarkarna och gluonerna, precis som SLAC och HERA kartlade deras momentum. Detta borde hjälpa forskare att äntligen fastställa ursprunget till protonens spinn och att ta itu med andra grundläggande frågor om den förbryllande partikel som utgör det mesta av vår vardagliga värld.