ภายในโปรตอน 'สิ่งที่ซับซ้อนที่สุดที่คุณอาจจินตนาการได้'

มากกว่าหนึ่งศตวรรษหลังจากที่เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ด ค้นพบอนุภาคที่มีประจุบวกในใจกลางของทุกอะตอม นักฟิสิกส์ยังคงพยายามทำความเข้าใจโปรตอนอย่างถ่องแท้

ครูฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลายอธิบายว่าพวกเขาเป็นลูกบอลที่ไม่มีลักษณะเฉพาะโดยมีประจุไฟฟ้าบวกหนึ่งหน่วยซึ่งเป็นฟอยล์ที่สมบูรณ์แบบสำหรับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบที่ส่งเสียงดังรอบตัวพวกเขา นักศึกษาวิทยาลัยได้เรียนรู้ว่าแท้จริงแล้วลูกบอลคือกลุ่มอนุภาคมูลฐานสามชนิดที่เรียกว่าควาร์ก แต่การวิจัยหลายทศวรรษได้เปิดเผยความจริงที่ลึกซึ้งกว่านั้น ซึ่งเป็นความจริงที่แปลกประหลาดเกินกว่าจะบรรยายด้วยคำพูดหรือภาพได้อย่างเต็มที่

“นี่คือสิ่งที่ซับซ้อนที่สุดที่คุณจะจินตนาการได้” . กล่าว ไมค์วิลเลียมส์นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ “อันที่จริง คุณไม่สามารถจินตนาการได้เลยว่ามันซับซ้อนแค่ไหน”

โปรตอนเป็นวัตถุทางกลควอนตัมที่มีอยู่เป็นหมอกควันจนกระทั่งการทดลองบังคับให้เป็นรูปธรรม และรูปแบบของมันแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับว่านักวิจัยตั้งค่าการทดลองอย่างไร การเชื่อมต่อใบหน้าจำนวนมากของอนุภาคเป็นงานของคนรุ่นต่อรุ่น “เราเพิ่งเริ่มเข้าใจระบบนี้อย่างสมบูรณ์” . กล่าว ริชาร์ด มิลเนอร์นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ MIT

ในขณะที่การไล่ล่าดำเนินต่อไป ความลับของโปรตอนก็พังพินาศ ล่าสุด การวิเคราะห์ข้อมูลที่ยิ่งใหญ่ ตีพิมพ์ในเดือนสิงหาคมพบว่าโปรตอนมีร่องรอยของอนุภาคที่เรียกว่าชาร์มควาร์กที่หนักกว่าโปรตอนเอง

โปรตอน "ถ่อมตนต่อมนุษย์" วิลเลียมส์กล่าว “ทุกครั้งที่คุณคิดว่าคุณมีที่จับ มันจะโยนลูกโค้งให้คุณ”

เมื่อเร็ว ๆ นี้ Milner ร่วมกับ Rolf Ent ที่ Jefferson Lab ผู้สร้างภาพยนตร์ MIT Chris Boebel และ Joe McMaster และนักสร้างแอนิเมชั่น James LaPlante ได้ออกเดินทางเพื่อเปลี่ยนชุดของแผนลับที่รวบรวมผลการทดลองหลายร้อยครั้งเป็นชุดภาพเคลื่อนไหวของรูปร่าง - เลื่อนโปรตอน เราได้รวมแอนิเมชั่นของพวกเขาไว้ในความพยายามของเราที่จะเปิดเผยความลับของมัน

แคร็กเปิดโปรตอน

หลักฐานที่พิสูจน์ว่าโปรตอนประกอบด้วยมวลสารนั้นมาจาก Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ในปี 1967 ในการทดลองก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้ขว้างมันด้วยอิเล็กตรอนและดูพวกมันเด้งออกเหมือนลูกบิลเลียด แต่ SLAC สามารถเหวี่ยงอิเล็กตรอนได้แรงขึ้น และนักวิจัยพบว่าพวกมันกระดอนกลับต่างกัน อิเล็กตรอนพุ่งชนโปรตอนอย่างแรงพอที่จะทำให้มันแตก ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นลึก และกำลังดีดตัวขึ้นจากเศษโปรตอนที่เรียกว่าควาร์ก “นั่นเป็นหลักฐานแรกที่แสดงว่าควาร์กมีอยู่จริง” . กล่าว เสี่ยวเฉา เจิ้งนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย

หลังจากการค้นพบของ SLAC ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1990 การพิจารณาโปรตอนก็เข้มข้นขึ้น นักฟิสิกส์ได้ทำการทดลองกระเจิงหลายร้อยครั้งจนถึงปัจจุบัน พวกเขาอนุมานถึงแง่มุมต่างๆ ของการตกแต่งภายในของวัตถุโดยการปรับความรุนแรงของพวกมันในการทิ้งระเบิด และเลือกว่าอนุภาคใดกระจัดกระจายที่พวกมันรวบรวมในภายหลัง

ด้วยการใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง นักฟิสิกส์สามารถค้นหาคุณสมบัติที่ละเอียดกว่าของโปรตอนเป้าหมายได้ ด้วยวิธีนี้ พลังงานอิเล็กตรอนจะกำหนดกำลังการแยกสูงสุดของการทดลองการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นในระดับลึก เครื่องชนกันของอนุภาคที่ทรงพลังยิ่งขึ้นช่วยให้มองเห็นโปรตอนได้คมชัดยิ่งขึ้น

เครื่องชนกันพลังงานสูงยังก่อให้เกิดผลการชนกันที่กว้างขึ้น ทำให้นักวิจัยเลือกชุดย่อยที่แตกต่างกันของอิเล็กตรอนขาออกเพื่อวิเคราะห์ ความยืดหยุ่นนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจควาร์ก ซึ่งสนใจภายในโปรตอนด้วยโมเมนตัมในปริมาณที่แตกต่างกัน

โดยการวัดพลังงานและวิถีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจาย นักวิจัยสามารถบอกได้ว่ามันเหลือบมองควาร์กที่มีโมเมนตัมรวมของโปรตอนจำนวนมากหรือเพียงแค่เสี้ยววินาที ผ่านการชนกันซ้ำแล้วซ้ำอีก พวกมันสามารถทำบางอย่างเช่นสำมะโน — กำหนดว่าโมเมนตัมของโปรตอนส่วนใหญ่ผูกติดอยู่กับควาร์กสองสามตัวหรือกระจายไปตามควาร์กจำนวนมาก

แม้แต่การชนแบบแยกโปรตอนของ SLAC ก็ยังอ่อนโยนตามมาตรฐานในปัจจุบัน ในเหตุการณ์การกระเจิงเหล่านั้น อิเล็กตรอนมักจะพุ่งออกไปในลักษณะที่บ่งบอกว่าพวกเขาชนเข้ากับควาร์กซึ่งมีโมเมนตัมทั้งหมดหนึ่งในสามของโปรตอน การค้นพบนี้ตรงกับทฤษฎีจาก Murray Gell-Mann และ George Zweig ซึ่งในปี 1964 ระบุว่าโปรตอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว

“แบบจำลองควาร์ก” ของ Gell-Mann และ Zweig ยังคงเป็นวิธีที่สวยงามในการจินตนาการถึงโปรตอน มันมีควาร์ก "ขึ้น" สองตัวที่มีประจุไฟฟ้า +2/3 แต่ละตัวและควาร์ก "ลง" หนึ่งตัวที่มีประจุ -1/3 สำหรับประจุโปรตอนทั้งหมด +1

แต่แบบจำลองของควาร์กเป็นแบบโอเวอร์ซิมพลาซึ่งมีข้อบกพร่องร้ายแรง

ยกตัวอย่างเช่น มันล้มเหลว เมื่อพูดถึงการหมุนของโปรตอน ซึ่งเป็นคุณสมบัติควอนตัมที่คล้ายคลึงกับโมเมนตัมเชิงมุม โปรตอนมีสปินครึ่งหน่วย เช่นเดียวกับควาร์กขึ้นและลง นักฟิสิกส์ในขั้นต้นสันนิษฐานว่า - ในการคำนวณที่สะท้อนเลขคณิตประจุธรรมดา - ครึ่งหน่วยของอัพควาร์กสองตัวลบของดาวน์ควาร์กจะต้องเท่ากับครึ่งหน่วยสำหรับโปรตอนโดยรวม แต่ในปี 1988 European Muon Collaboration รายงาน ว่าควาร์กสปินรวมกันได้น้อยกว่าครึ่งหนึ่งมาก ในทำนองเดียวกัน มวลของอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัวประกอบด้วยประมาณ 1% ของมวลทั้งหมดของโปรตอนเท่านั้น การขาดดุลเหล่านี้ผลักดันให้นักฟิสิกส์กลับมาชื่นชมอีกครั้ง: โปรตอนมีมากกว่าสามควาร์ก

มากกว่าสามควาร์ก

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) ซึ่งใช้งานในเมืองฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี ตั้งแต่ปี 1992 ถึง 2007 ได้กระแทกอิเล็กตรอนให้เป็นโปรตอนอย่างแรงกว่า SLAC ประมาณพันเท่า ในการทดลองของ HERA นักฟิสิกส์สามารถเลือกอิเล็กตรอนที่กระดอนออกจากควาร์กโมเมนตัมต่ำมาก รวมทั้งอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตัมทั้งหมดของโปรตอนเพียง 0.005% และตรวจจับพวกมันได้: อิเล็กตรอนของ HERA ดีดตัวขึ้นจากห้วงลึกของควาร์กโมเมนตัมต่ำและแอนติแมทของพวกมัน แอนติควาร์ก

ผลการวิจัยยืนยันทฤษฎีที่ซับซ้อนและแปลกประหลาดซึ่งได้แทนที่แบบจำลองควาร์กของ Gell-Mann และ Zweig แล้ว พัฒนาขึ้นในปี 1970 เป็นทฤษฎีควอนตัมของ "แรงมหาศาล" ที่ทำหน้าที่ระหว่างควาร์ก ทฤษฎีนี้อธิบายว่าควาร์กถูกโยงเข้าด้วยกันโดยอนุภาคที่มีพลังที่เรียกว่ากลูออน ควาร์กแต่ละตัวและกลูออนแต่ละตัวมีประจุ "สี" หนึ่งในสามประเภทที่มีป้ายกำกับสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน อนุภาคที่มีประจุสีเหล่านี้จะดึงเข้าหากันโดยธรรมชาติและก่อตัวเป็นกลุ่ม — เช่น โปรตอน — ซึ่งสีจะรวมกันเป็นสีขาวที่เป็นกลาง ทฤษฎีที่มีสีสันกลายเป็นที่รู้จักในชื่อควอนตัมโครโมไดนามิกส์หรือ QCD

ตาม QCD กลูออนสามารถรับพลังงานได้ชั่วขณะ ด้วยพลังงานนี้ กลูออนจะแยกออกเป็นควาร์กและแอนติควาร์ก ซึ่งแต่ละอันมีโมเมนตัมเล็กน้อย ก่อนที่ทั้งคู่จะทำลายล้างและหายไป เดือยพลังงานที่เล็กกว่าจะสร้างควาร์กคู่ที่มีโมเมนตัมต่ำกว่า ซึ่งมีอายุสั้นกว่า นี่คือ "ทะเล" ของกลูออน ควาร์ก และแอนติควาร์กที่ HERA ตรวจพบโดยตรง ซึ่งมีความไวต่ออนุภาคโมเมนตัมต่ำกว่า

HERA ยังหยิบเอาคำใบ้ว่าโปรตอนจะมีลักษณะอย่างไรในเครื่องชนกันที่ทรงพลังกว่า เมื่อนักฟิสิกส์ปรับ HERA เพื่อค้นหาควาร์กโมเมนตัมที่ต่ำกว่า ควาร์กเหล่านี้ซึ่งมาจากกลูออนก็ปรากฏขึ้นเป็นจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าในการชนกันของพลังงานที่สูงขึ้น โปรตอนจะปรากฏเป็นก้อนเมฆที่ประกอบขึ้นจากกลูออนเกือบทั้งหมด

ดอกแดนดิไลอันกลูออนเป็นสิ่งที่ QCD คาดการณ์ไว้ “ข้อมูล HERA เป็นหลักฐานการทดลองโดยตรงที่ QCD อธิบายธรรมชาติ” มิลเนอร์กล่าว

แต่ชัยชนะของทฤษฎีรุ่นเยาว์มาพร้อมกับยาเม็ดที่ขมขื่น ในขณะที่ QCD อธิบายการเต้นของควาร์กอายุสั้นและกลูออนที่เปิดเผยจากการชนที่รุนแรงของ HERA ได้อย่างสวยงาม ทฤษฎีนี้ไม่มีประโยชน์ที่จะทำความเข้าใจกับควาร์กที่คงอยู่ยาวนานสามตัวที่เห็นในการทิ้งระเบิดอย่างอ่อนโยนของ SLAC

การคาดคะเนของ QCD นั้นเข้าใจง่ายก็ต่อเมื่อกำลังแรงค่อนข้างอ่อน และแรงที่แข็งแกร่งจะอ่อนตัวลงก็ต่อเมื่อควาร์กอยู่ใกล้กันมาก เนื่องจากพวกมันอยู่ในคู่ควาร์กกับแอนติควาร์กที่มีอายุสั้น Frank Wilczek, David Gross และ David Politzer ระบุคุณลักษณะที่กำหนดของ QCD ในปี 1973 และได้รับรางวัลโนเบลสำหรับมัน 31 ปีต่อมา

แต่สำหรับการชนกันที่นุ่มนวลกว่า เช่น SLAC โดยที่โปรตอนทำหน้าที่เหมือนควาร์กสามตัวที่รักษาระยะห่างของกันและกัน ควาร์กเหล่านี้จะดึงเข้าหากันอย่างแรงกล้าพอที่จะทำให้การคำนวณ QCD เป็นไปไม่ได้ ดังนั้น ภารกิจในการทำให้กระจ่างถึงมุมมองสามควาร์กของโปรตอนจึงตกอยู่กับผู้ทดลองเป็นส่วนใหญ่ (นักวิจัยที่เรียกใช้ "การทดลองดิจิทัล" ซึ่งการคาดคะเนของ QCD ถูกจำลองบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ผลงานที่สำคัญ.) และในภาพความละเอียดต่ำนี้ นักฟิสิกส์มักพบกับความประหลาดใจ

มุมมองใหม่ที่มีเสน่ห์

ล่าสุด นำทีมโดย ฮวน โรโฮ ของสถาบัน National Institute for Subatomic Physics ในเนเธอร์แลนด์และ VU University Amsterdam ได้วิเคราะห์สแนปชอตโปรตอนมากกว่า 5,000 ภาพในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา โดยใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่ออนุมานการเคลื่อนที่ของควาร์กและกลูออนภายในโปรตอนในลักษณะที่เลี่ยงการคาดเดาตามทฤษฎี

 การพิจารณาใหม่ได้ทำให้พื้นหลังเบลอในภาพซึ่งรอดพ้นจากนักวิจัยในอดีต ในการชนกันที่ค่อนข้างนุ่มนวล ซึ่งแทบจะไม่สามารถทำลายโปรตอนได้ โมเมนตัมส่วนใหญ่ถูกขังอยู่ในควาร์กปกติสามตัว: อัพสองตัวและดาวน์หนึ่งตัว แต่ดูเหมือนว่าโมเมนตัมจำนวนเล็กน้อยจะมาจากควาร์ก "เสน่ห์" และแอนติควาร์กที่มีเสน่ห์ ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานขนาดมหึมาที่แต่ละอนุภาคมีน้ำหนักเกินโปรตอนทั้งหมดมากกว่าหนึ่งในสาม

เสน่ห์อายุสั้นมักปรากฏในมุมมอง "ทะเลควาร์ก" ของโปรตอน (กลูออนสามารถแบ่งออกเป็นควาร์กประเภทใดก็ได้จากหกประเภทหากมีพลังงานเพียงพอ) แต่ผลลัพธ์จาก Rojo และเพื่อนร่วมงานแนะนำว่าเครื่องรางมีลักษณะถาวรมากกว่า ทำให้สามารถตรวจจับได้เมื่อชนกันอย่างนุ่มนวล ในการชนกันเหล่านี้ โปรตอนจะปรากฏเป็นส่วนผสมของควอนตัมหรือการซ้อนทับกันของสถานะต่างๆ: อิเล็กตรอนมักจะพบกับควาร์กที่มีน้ำหนักเบาสามตัว แต่บางครั้งจะพบ "โมเลกุล" ที่หายากกว่าของควาร์ก XNUMX ตัว เช่น ควาร์กขึ้น ลง และ Charm ที่จัดกลุ่มไว้ด้านหนึ่ง และควาร์กอัพและ Charm ที่อีกด้านหนึ่ง

รายละเอียดที่ละเอียดอ่อนเกี่ยวกับการแต่งหน้าของโปรตอนสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นผลสืบเนื่อง ที่ Large Hadron Collider นักฟิสิกส์ค้นหาอนุภาคมูลฐานใหม่โดยทุบโปรตอนความเร็วสูงเข้าด้วยกันและดูว่ามีอะไรโผล่ออกมา เพื่อทำความเข้าใจผลลัพธ์ นักวิจัยจำเป็นต้องรู้ว่ามีอะไรอยู่ในโปรตอนเพื่อเริ่มต้น การปรากฎตัวของชาร์มควาร์กยักษ์เป็นครั้งคราว โยนทิ้งโอกาส ในการสร้างอนุภาคที่แปลกใหม่มากขึ้น

และเมื่อโปรตอนที่เรียกว่ารังสีคอสมิกพุ่งมาที่นี่จากอวกาศและชนโปรตอนในชั้นบรรยากาศของโลก ชาร์มควาร์กที่โผล่ขึ้นมาในช่วงเวลาที่เหมาะสมจะทำให้โลกได้รับ นิวตริโนพลังพิเศษนักวิจัยคำนวณในปี 2021 สิ่งเหล่านี้อาจทำให้ผู้สังเกตการณ์สับสน ค้นหา สำหรับนิวตริโนพลังงานสูงที่มาจากทั่วจักรวาล

การทำงานร่วมกันของ Rojo วางแผนที่จะดำเนินการสำรวจโปรตอนต่อไปโดยค้นหาความไม่สมดุลระหว่างชาร์มควาร์กและแอนติควาร์ก และองค์ประกอบที่หนักกว่า เช่น ท๊อปควาร์ก สามารถทำให้ปรากฏได้ยากขึ้นและตรวจจับได้ยากขึ้น

การทดลองรุ่นต่อไปจะแสวงหาคุณสมบัติที่ไม่รู้จักมากขึ้น นักฟิสิกส์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven หวังว่าจะยิงเครื่องชนอิเล็กตรอน-ไอออนในปี 2030 และเลือกจุดที่ HERA ค้างไว้ โดยถ่ายภาพสแนปชอตที่มีความละเอียดสูงกว่า ซึ่งจะทำให้สามารถสร้างโปรตอน 3 มิติขึ้นใหม่ได้ นอกจากนี้ EIC จะใช้อิเล็กตรอนหมุนเพื่อสร้างแผนที่โดยละเอียดของสปินของควาร์กและกลูออนภายใน เช่นเดียวกับที่ SLAC และ HERA ทำแผนที่โมเมนตัมของพวกมัน วิธีนี้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุที่มาของการหมุนของโปรตอนได้ในที่สุด และเพื่อตอบคำถามพื้นฐานอื่นๆ เกี่ยวกับอนุภาคที่ทำให้งงงวยซึ่งประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ในโลกของเราในแต่ละวัน