Proton'un İçinde 'Muhtemelen Hayal Edebileceğiniz En Karmaşık Şey'

Ernest Rutherford'un her atomun kalbindeki pozitif yüklü parçacığı keşfetmesinden bir asırdan fazla bir süre sonra, fizikçiler hala protonu tam olarak anlamak için mücadele ediyor.

Lise fizik öğretmenleri onları, her biri bir birim pozitif elektrik yüküne sahip özelliksiz toplar olarak tanımlar - etraflarında vızıldayan negatif yüklü elektronlar için mükemmel folyolar. Üniversite öğrencileri, topun aslında kuark adı verilen üç temel parçacıktan oluşan bir demet olduğunu öğrenirler. Ancak onlarca yıllık araştırma, kelimeler veya görüntülerle tam olarak yakalanamayacak kadar tuhaf olan daha derin bir gerçeği ortaya çıkardı.

"Bu, hayal edebileceğiniz en karmaşık şey," dedi. Mike WilliamsMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçi. "Aslında, ne kadar karmaşık olduğunu hayal bile edemezsin."

Proton, bir deney onu somut bir biçim almaya zorlayana kadar bir olasılıklar sisi olarak var olan kuantum mekanik bir nesnedir. Ve biçimleri, araştırmacıların deneylerini nasıl kurduklarına bağlı olarak büyük ölçüde farklılık gösterir. Parçacığın birçok yüzünü birbirine bağlamak nesillerin işi olmuştur. “Bu sistemi tam olarak anlamaya başlıyoruz” dedi. Richard MilnerMIT'de nükleer fizikçi.

Takip devam ederken, protonun sırları düşmeye devam ediyor. Son zamanlarda, bir anıtsal veri analizi Ağustos ayında yayınlanan bir araştırma, protonun, protonun kendisinden daha ağır olan tılsım kuarkları adı verilen parçacıkların izlerini içerdiğini buldu.

Williams, protonun "insanları küçük düşürdüğünü" söyledi. "Bir şekilde idare ettiğinizi düşündüğünüz her zaman, size bazı eğriler fırlatır."

Son zamanlarda Milner, Jefferson Lab'de Rolf Ent, MIT film yapımcıları Chris Boebel ve Joe McMaster ve animatör James LaPlante ile birlikte, yüzlerce deneyin sonuçlarını derleyen bir dizi gizemli olay örgüsünü şeklin bir dizi animasyonuna dönüştürmek için yola çıktı. -değişen proton. Sırlarını açığa çıkarmak için kendi girişimimize onların animasyonlarını dahil ettik.

Cracking Proton'u Açın

Protonun çokluklar içerdiğinin kanıtı 1967'de Stanford Lineer Accelerator Center'dan (SLAC) geldi. Daha önceki deneylerde, araştırmacılar onu elektronlarla yağdırmış ve bilardo topları gibi sektiklerini izlemişlerdi. Ancak SLAC elektronları daha güçlü bir şekilde fırlatabilirdi ve araştırmacılar elektronların farklı şekilde geri döndüğünü gördüler. Elektronlar protona onu parçalayacak kadar sert çarpıyordu - derin esnek olmayan saçılma adı verilen bir süreç - ve protonun kuark adı verilen nokta benzeri parçalarından geri dönüyorlardı. “Kuarkların gerçekten var olduğuna dair ilk kanıt buydu” dedi. Xiaochao Zheng, Virginia Üniversitesi'nde bir fizikçi.

1990'da Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan SLAC'ın keşfinden sonra, protonun incelemesi yoğunlaştı. Fizikçiler bugüne kadar yüzlerce saçılma deneyi yaptılar. Ne kadar güçlü bir şekilde bombaladıklarını ayarlayarak ve sonrasında hangi dağınık parçacıkları toplayacaklarını seçerek nesnenin içinin çeşitli yönlerini çıkarırlar.

Fizikçiler, daha yüksek enerjili elektronları kullanarak, hedef protonun daha ince özelliklerini ortaya çıkarabilirler. Bu şekilde, elektron enerjisi, derin esnek olmayan saçılma deneyinin maksimum çözme gücünü ayarlar. Daha güçlü parçacık çarpıştırıcıları, protonun daha keskin bir görüntüsünü sunar.

Daha yüksek enerjili çarpıştırıcılar ayrıca daha geniş bir çarpışma sonuçları dizisi üretir ve araştırmacıların analiz etmek için giden elektronların farklı alt kümelerini seçmelerine izin verir. Bu esneklik, protonun içinde farklı momentum miktarlarıyla ilgilenen kuarkları anlamanın anahtarı olduğunu kanıtladı.

Araştırmacılar, saçılan her elektronun enerjisini ve yörüngesini ölçerek, elektronun protonun toplam momentumunun büyük bir kısmını taşıyan bir kuarkı mı yoksa sadece bir smidgen mi olduğunu anlayabilirler. Tekrarlanan çarpışmalar yoluyla, bir nüfus sayımı gibi bir şey alabilirler - protonun momentumunun çoğunlukla birkaç kuarkla bağlı olup olmadığını veya birçok kuark üzerine dağılıp dağılmadığını belirleyebilirler.

SLAC'ın proton bölen çarpışmaları bile günümüz standartlarına göre nazikti. Bu saçılma olaylarında, elektronlar genellikle protonun toplam momentumunun üçte birini taşıyan kuarklara çarptıklarını düşündürecek şekilde fırladılar. Bulgu, 1964'te bir protonun üç kuarktan oluştuğunu öne süren Murray Gell-Mann ve George Zweig'in bir teorisiyle eşleşti.

Gell-Mann ve Zweig'in “kuark modeli” protonu hayal etmenin zarif bir yolu olmaya devam ediyor. Toplam +2 proton yükü için, her biri +3/1 elektrik yüklü iki "yukarı" kuark ve -3/1 yüklü bir "aşağı" kuark vardır.

Ancak kuark modeli, ciddi eksiklikleri olan bir aşırı basitleştirmedir.

Örneğin, açısal momentuma benzer bir kuantum özelliği olan bir protonun dönüşü söz konusu olduğunda başarısız olur. Proton, yukarı ve aşağı kuarklarının her birinde olduğu gibi yarım birim dönüşe sahiptir. Fizikçiler başlangıçta - basit yük aritmetiğini yansıtan bir hesaplamada - iki yukarı kuarkın yarım birimlerinden aşağı kuarkın yarım birimlerinin, bir bütün olarak proton için yarım birime eşit olması gerektiğini varsaydılar. Fakat 1988'de Avrupa Müon İşbirliği rapor kuark dönüşlerinin toplamının yarısından çok daha az olduğunu. Benzer şekilde, iki yukarı ve bir aşağı kuarkın kütleleri, protonun toplam kütlesinin yalnızca %1'ini oluşturur. Bu eksiklikler, fizikçilerin zaten takdir etmeye başladıkları bir noktaya getirdi: Proton, üç kuarktan çok daha fazlasıdır.

Üç Kuarktan Çok Daha Fazlası

1992'den 2007'ye kadar Almanya'nın Hamburg kentinde işletilen Hadron-Elektron Halka Hızlandırıcısı (HERA), elektronları protonlara SLAC'ın sahip olduğundan yaklaşık bin kat daha güçlü bir şekilde çarptı. HERA deneylerinde fizikçiler, protonun toplam momentumunun %0.005'ini taşıyanlar da dahil olmak üzere, son derece düşük momentumlu kuarklardan yansıyan elektronları seçebildiler. Ve yaptıklarını tespit edin: HERA'nın elektronları, düşük momentumlu kuarklardan ve onların antimadde karşılıkları olan antikuarklardan oluşan bir girdaptan geri döndü.

Sonuçlar, o zamana kadar Gell-Mann ve Zweig'in kuark modelinin yerini almış olan sofistike ve tuhaf bir teoriyi doğruladı. 1970'lerde geliştirilen, kuarklar arasında hareket eden "güçlü kuvvetin" bir kuantum teorisiydi. Teori, kuarkları, gluon adı verilen kuvvet taşıyan parçacıklar tarafından birbirine bağlanmış olarak tanımlar. Her kuark ve her bir gluon, kırmızı, yeşil ve mavi olarak etiketlenmiş üç tür “renk” yükünden birine sahiptir; bu renk yüklü parçacıklar doğal olarak birbirlerini çekerler ve renkleri nötr bir beyaza ulaşan bir proton gibi bir grup oluştururlar. Renkli teori, kuantum renk dinamiği veya QCD olarak bilinir hale geldi.

QCD'ye göre, gluonlar anlık enerji artışları yakalayabilir. Bu enerjiyle, bir gluon bir kuark ve bir antikuark olarak ayrılır - her biri küçük bir momentum taşır - çift yok olup kaybolmadan önce. Daha küçük enerji artışları, daha kısa ömürler yaşayan daha düşük momentumlu kuark çiftleri üretir. HERA, düşük momentumlu parçacıklara karşı daha yüksek duyarlılığı ile ilk elden tespit ettiği gluonlar, kuarklar ve antikuarklardan oluşan bu "deniz"dir.

HERA ayrıca daha güçlü çarpıştırıcılarda protonun nasıl görüneceğine dair ipuçları aldı. Fizikçiler HERA'yı daha düşük momentumlu kuarkları aramak için ayarladıklarından, gluonlardan gelen bu kuarklar gitgide daha fazla sayıda ortaya çıktı. Sonuçlar, daha yüksek enerjili çarpışmalarda, protonun neredeyse tamamen gluonlardan oluşan bir bulut olarak görüneceğini ileri sürdü.

Gluon karahindiba, tam olarak QCD'nin öngördüğü şeydir. Milner, "HERA verileri, QCD'nin doğayı tanımladığının doğrudan deneysel kanıtıdır." Dedi.

Ancak genç teorinin zaferi acı bir hapla geldi: QCD, HERA'nın aşırı çarpışmalarının ortaya çıkardığı kısa ömürlü kuarkların ve gluonların dansını güzelce tarif ederken, teori, SLAC'ın yumuşak bombardımanında görülen üç uzun ömürlü kuarkı anlamak için işe yaramaz.

QCD'nin tahminlerinin, yalnızca güçlü kuvvet nispeten zayıf olduğunda anlaşılması kolaydır. Ve güçlü kuvvet, kısa ömürlü kuark-antikuark çiftlerinde olduğu gibi, yalnızca kuarklar birbirine son derece yakın olduklarında zayıflar. Frank Wilczek, David Gross ve David Politzer, QCD'nin bu tanımlayıcı özelliğini 1973'te tanımlayarak 31 yıl sonra Nobel Ödülü'nü kazandı.

Ancak, protonun karşılıklı olarak mesafelerini koruyan üç kuark gibi davrandığı SLAC'ler gibi daha yumuşak çarpışmalar için, bu kuarklar birbirlerini QCD hesaplamalarını imkansız hale getirecek kadar güçlü bir şekilde çekerler. Bu nedenle, protonun üç kuark görüşünü daha da açığa çıkarma görevi büyük ölçüde deneycilere düştü. (QCD tahminlerinin süper bilgisayarlarda simüle edildiği “dijital deneyler” yapan araştırmacılar da önemli katkılar.) Ve fizikçiler bu düşük çözünürlüklü resimde sürprizler bulmaya devam ediyor.

Büyüleyici Yeni Bir Görünüm

Son zamanlarda, liderliğindeki bir ekip juan rojo Hollanda'daki Ulusal Atomaltı Fizik Enstitüsü'nden ve Amsterdam VU Üniversitesi'nden araştırmacılar, teorik tahminlerden kaçınarak proton içindeki kuarkların ve gluonların hareketlerini çıkarmak için makine öğrenimini kullanarak, son 5,000 yılda alınan 50'den fazla proton anlık görüntüsünü analiz ettiler.

 Yeni inceleme, geçmiş araştırmacılardan kaçan görüntülerde bir arka plan bulanıklığı tespit etti. Nispeten yumuşak çarpışmalarda, protonu zar zor açarak, momentumun çoğu olağan üç kuarkta kilitlendi: iki yukarı ve bir aşağı. Ancak küçük bir miktar momentumun bir "çekici" kuarktan ve çekici antikuarktan - her biri tüm protondan üçte birinden daha fazla ağır basan devasa temel parçacıklardan - geldiği ortaya çıktı.

Kısa ömürlü tılsımlar genellikle protonun “kuark denizi” görünümünde ortaya çıkar (glüonlar, yeterli enerjiye sahiplerse altı farklı kuark türünden herhangi birine bölünebilir). Ancak Rojo ve meslektaşlarından elde edilen sonuçlar, tılsımların daha kalıcı bir varlığa sahip olduğunu ve bu da onları daha hafif çarpışmalarda tespit edilebilir hale getirdiğini gösteriyor. Bu çarpışmalarda proton, birden çok durumun bir kuantum karışımı veya süperpozisyonu olarak görünür: Bir elektron genellikle üç hafif kuarkla karşılaşır. Ancak zaman zaman, bir tarafta gruplandırılmış yukarı, aşağı ve tılsım kuark ve diğer tarafta yukarı kuark ve tılsım antikuark gibi beş kuarktan oluşan daha nadir bir "molekül" ile karşılaşacaktır.

Protonun yapısıyla ilgili bu tür ince ayrıntılar, sonuç olarak ortaya çıkabilir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda fizikçiler, yüksek hızlı protonları birbirine vurarak ve neyin ortaya çıktığını görerek yeni temel parçacıklar ararlar; Sonuçları anlamak için, araştırmacıların başlangıçta bir protonun içinde ne olduğunu bilmeleri gerekiyor. Dev tılsım kuarklarının ara sıra ortaya çıkması, olasılıkları atmak daha egzotik parçacıklar yapmak.

Ve kozmik ışınlar denilen protonlar uzaydan buraya fırlayıp Dünya atmosferinde protonlara çarptığında, doğru anlarda ortaya çıkan tılsım kuarkları Dünya'yı yağmurla yağardı. ekstra enerjik nötrinolar, araştırmacılar 2021'de hesapladı. Bunlar gözlemcileri şaşırtabilir arama Evrenin diğer ucundan gelen yüksek enerjili nötrinolar için.

Rojo'nun işbirliği, tılsım kuarkları ve antikuarklar arasındaki dengesizliği arayarak protonu keşfetmeye devam etmeyi planlıyor. Ve üst kuark gibi daha ağır bileşenler, daha nadir ve tespit edilmesi daha zor görünümlere neden olabilir.

Yeni nesil deneyler daha da bilinmeyen özellikler arayacak. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki fizikçiler, 2030'larda Elektron-İyon Çarpıştırıcısını ateşlemeyi ve HERA'nın kaldığı yerden devam ederek protonun ilk 3B rekonstrüksiyonunu sağlayacak daha yüksek çözünürlüklü anlık görüntüler almayı umuyorlar. EIC ayrıca, SLAC ve HERA'nın momentumlarını haritalandırdığı gibi, iç kuarkların ve gluonların dönüşlerinin ayrıntılı haritalarını oluşturmak için dönen elektronları da kullanacak. Bu, araştırmacıların sonunda protonun dönüşünün kökenini belirlemelerine ve günlük dünyamızın çoğunu oluşturan şaşırtıcı parçacıkla ilgili diğer temel soruları ele almalarına yardımcı olacaktır.