Вихрові сили, тиск роздавлювання, виміряний у протоні | Журнал Quanta

Фізики почали досліджувати протон як субатомну планету. Карти розрізів відображають новознайдені деталі внутрішньої частини частинки. Ядро протона має тиск більш інтенсивний, ніж у будь-якій іншій відомій формі матерії. На півдорозі до поверхні вихори сили штовхають один одного. А «планета» в цілому менша, ніж припускали попередні експерименти.

Експериментальні дослідження відзначають наступний етап у пошуках розуміння частинки, яка закріплює кожен атом і складає основну частину нашого світу.

«Ми справді сприймаємо це як відкриття абсолютно нового напрямку, який змінить наш погляд на фундаментальну структуру матерії», — сказав Латіфа Елуадрхірі, фізик з Національного прискорювального заводу Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, штат Вірджинія, який бере участь у цих зусиллях.

Експерименти буквально проливають нове світло на протон. Протягом десятиліть дослідники ретельно описували електромагнітний вплив позитивно зарядженої частинки. Але в новому дослідженні фізики з лабораторії Джефферсона натомість відображають гравітаційний вплив протона, а саме розподіл енергій, тисків і напруг зсуву, які згинають тканину простору-часу всередині частинки та навколо неї. Дослідники роблять це, використовуючи особливий спосіб, за допомогою якого пари фотонів, частинок світла, можуть імітувати гравітон, гіпотетичну частинку, яка передає силу тяжіння. Посилаючи на протон фотони, вони опосередковано роблять висновок про те, як гравітація буде взаємодіяти з ним, реалізуючи десятирічну мрію досліджувати протон таким альтернативним способом.

"Це tour de force", сказав Седрік Лорсе, фізик з Політехнічної школи у Франції, який не брав участі в роботі. «Експериментально це надзвичайно складно». 

Від фотонів до гравітонів

За останні 70 років фізики дізналися величезну кількість про протон, неодноразово стикаючись з ним електронами. Вони знають, що його електричний заряд простягається приблизно на 0.8 фемтометра, або квадрильйонних часток метра, від центру. Вони знають, що вхідні електрони мають тенденцію відбивати погляд від одного з трьох кварків — елементарних частинок із частками заряду, — які дзижчать усередині нього. Вони також спостерігали дуже дивний наслідок квантової теорії, коли при сильніших зіткненнях електрони, здається, зустрітися з пінним морем складається з набагато більшої кількості кварків, а також глюонів, носіїв так званої сильної сили, яка склеює кварки.

Уся ця інформація надходить з однієї установки: ви запускаєте електрон у протон, і частинки обмінюються одним фотоном — носієм електромагнітної сили — і відштовхують одна одну. Ця електромагнітна взаємодія розповідає фізикам, як кварки, як заряджені об’єкти, мають тенденцію влаштовуватися. Але в протоні є набагато більше, ніж його електричний заряд.

«Як розподіляються матерія та енергія?» запитав Петер Швейцер, фізик-теоретик в Університеті Коннектикуту. «Ми не знаємо».

Швейцер присвятив більшу частину своєї кар’єри роздумам про гравітаційну сторону протона. Зокрема, його цікавить матриця властивостей протона, яка називається тензор енергії-імпульсу. «Тензор енергії-імпульсу знає все, що можна знати про частинку», — сказав він.

У загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, яка розглядає гравітаційне тяжіння як об’єкти, що слідують за кривими в просторі-часі, тензор енергії-імпульсу вказує простору-часу, як вигинатися. Він описує, наприклад, розташування енергії (або, що те саме, маси) — джерело левової частки скручування простору-часу. Він також відстежує інформацію про те, як розподіляється імпульс, а також про те, де відбуватиметься стиснення чи розширення, що також може злегка викривити простір-час.

Якби ми могли дізнатися форму простору-часу, що оточує протон, російська та американська фізики незалежно один від одного розробили в 1960-х роках, ми могли зробити висновок про всі властивості, зазначені в його тензорі енергії-імпульсу. До них належать маса та обертання протона, які вже відомі, а також розташування тисків і сил протона, спільну властивість, яку фізики називають «терміном Друка», після слова тиску німецькою мовою. Цей термін «так само важливий, як маса та обертання, і ніхто не знає, що це таке», — сказав Швейцер, — хоча це починає змінюватися.

У 60-х роках здавалося, що для вимірювання тензора енергії-імпульсу та обчислення члена Друка знадобиться гравітаційна версія звичайного експерименту з розсіювання: ви запускаєте масивну частинку в протон і дозволяєте двом обмінятися гравітоном — гіпотетичною частинкою. що створює гравітаційні хвилі, а не фотон. Але через надзвичайну слабкість гравітації фізики очікують, що розсіювання гравітону відбуватиметься на 39 порядків рідше, ніж розсіювання фотонів. Експерименти не можуть виявити такий слабкий ефект.

«Я пам’ятаю, як читав про це, коли був студентом», — сказав Фолькер Буркерт, член команди Jefferson Lab. Висновок полягав у тому, що «ми, ймовірно, ніколи не зможемо нічого дізнатися про механічні властивості частинок».

Гравітація без гравітації

Гравітаційні експерименти сьогодні все ще неможливо уявити. Але дослідження наприкінці 1990-х і на початку 2000-х років, проведені фізиками Сяндуном Джі та покійним Максимом Поляковим, який працював окремо виявлено a обхідний шлях.

Загальна схема така. Коли ви злегка стріляєте електроном у протон, він зазвичай доставляє фотон до одного з кварків і відривається. Але менш ніж у одній події з мільярда трапляється щось особливе. Вхідний електрон посилає фотон. Кварк поглинає його, а потім випромінює інший фотон через серцебиття. Ключова відмінність полягає в тому, що ця рідкісна подія включає два фотони замість одного — як вхідні, так і вихідні фотони. Розрахунки Джі та Полякова показали, що якби експериментатори змогли зібрати отримані електрон, протон і фотон, вони могли б зробити висновок за енергіями та імпульсами цих частинок, що сталося з двома фотонами. І цей двофотонний експеримент був би по суті таким же інформативним, як і неможливий експеримент із розсіюванням гравітону.

Як два фотони можуть щось знати про гравітацію? Відповідь містить складну математику. Але фізики пропонують два способи міркування про те, чому цей трюк працює.

Фотони — це брижі в електромагнітному полі, які можна описати однією стрілкою або вектором у кожному місці простору, що вказує значення та напрямок поля. Гравітони були б брижами в геометрії простору-часу, більш складному полі, представленому комбінацією двох векторів у кожній точці. Захоплення гравітона дало б фізикам два вектори інформації. Окрім цього, два фотони можуть замінити гравітон, оскільки вони разом несуть два вектори інформації.

Альтернативна інтерпретація математики полягає в наступному. Протягом моменту, який проходить між моментом, коли кварк поглинає перший фотон, і моментом, коли він випускає другий, кварк слідує шляху в просторі. Досліджуючи цей шлях, ми можемо дізнатися про такі властивості, як тиск і сили, які оточують шлях.

«Ми не проводимо гравітаційний експеримент», — сказав Лорсе. Але «ми повинні отримати непрямий доступ до того, як протон повинен взаємодіяти з гравітоном». 

Зондування планети Протон

У 2000 році фізики з лабораторії Джефферсона зібрали кілька подій двофотонного розсіювання. Це підтвердження концепції спонукало їх побудувати новий експеримент, і в 2007 році вони розбили електрони в протони стільки разів, щоб зібрати приблизно 500,000 XNUMX гравітоноподібних зіткнень. Аналіз експериментальних даних зайняв ще десятиліття.

Зі свого індексу властивостей викривлення простору-часу команда витягла невловимий термін Друк, опублікувавши їх оцінка внутрішнього тиску протона в природа В 2018.

Вони виявили, що в серці протона сильна сила створює тиск неймовірної інтенсивності — 100 мільярдів трильйонів трильйонів паскалів, або приблизно в 10 разів перевищує тиск у серці нейтронної зірки. Далі від центру тиск падає і зрештою повертається всередину, оскільки це необхідно для того, щоб протон не розлетівся на частини. «Це результат експерименту», — сказав Беркерт. «Так, протон насправді стабільний». (Цей висновок не має жодного відношення чи розпадаються протони, однак, що передбачає інший тип нестабільності, передбачений деякими спекулятивними теоріями.)

Група Jefferson Lab продовжувала аналізувати термін Друк. Вони опублікували оцінку сил зсуву — внутрішніх сил, що штовхають паралельно поверхні протона — як частину огляду опублікований у грудні. Фізики виявили, що поблизу свого ядра протон відчуває силу закручування, яка нейтралізується закручуванням в іншому напрямку ближче до поверхні. Ці вимірювання також підкреслюють стабільність частинки. Повороти були очікуваними на основі теоретичних робіт Швейцера та Полякова. «Тим не менше, спостерігати, як він виходить із експерименту вперше, справді вражає», — сказав Елуадрхірі.

Тепер вони використовують ці інструменти для розрахунку розміру протона по-новому. У традиційних експериментах з розсіюванням фізики помітили, що електричний заряд частинки простягається приблизно на 0.8 фемтометра від її центру (тобто кварки, що її утворюють, дзижчать у цій області). Але цей «радіус заряду» має деякі особливості. Наприклад, у випадку нейтрона — нейтрального аналога протона, у якому два негативно заряджені кварки мають тенденцію зависати глибоко всередині частинки, а один позитивно заряджений кварк проводить більше часу біля поверхні — радіус заряду виявляється як від’ємне число. . «Це не означає, що розмір від’ємний; це просто не вірна міра», – сказав Швейцер.

Новий підхід вимірює область простору-часу, яка значно викривлена ​​протоном. У препринті, який ще не пройшов експертну перевірку, команда Jefferson Lab підрахувала, що цей радіус може бути приблизно на 25% менше ніж радіус заряду, всього на 0.6 фемтометра.

Межі планети Протон

Концептуально цей вид аналізу згладжує розмитий танець кварків у твердий планетоподібний об’єкт, з тиском і силами, що діють на кожну частинку об’єму. Ця замерзла планета не повністю відображає хрипкий протон у всій його квантовій красі, але це корисна модель. «Це інтерпретація», — сказав Швейцер.

І фізики підкреслюють, що початкові карти є приблизними з кількох причин.

По-перше, точне вимірювання тензора енергії-імпульсу вимагало б значно більшої енергії зіткнення, ніж може виробити лабораторія Джефферсона. Команда наполегливо працювала, щоб ретельно екстраполювати тенденції відносно низьких енергій, до яких вони можуть отримати доступ, але фізики залишаються невпевненими, наскільки точні ці екстраполяції.

Крім того, протон більше, ніж його кварки; він також містить глюони, які хлюпають навколо з власним тиском і силою. Двофотонний трюк не може виявити ефекти глюонів. Окрема команда в лабораторії Джефферсона використала аналогічний трюк (включаючи взаємодію подвійних глюонів), щоб опублікувати попередню гравітаційну карту цих глюонних ефектів у природа в минулому році, але він також базувався на обмежених даних із низьким енергоспоживанням.

«Це перший крок», — сказав Йошітака Хатта, фізик із Брукхейвенської національної лабораторії, який отримав натхнення розпочати вивчення гравітаційного протона після роботи групи Jefferson Lab у 2018 році.

Точніші гравітаційні карти як протонних кварків, так і його глюонів можуть з’явитися в 2030-х роках, коли почнеться робота електронно-іонного колайдера, який зараз будується в Брукхейвені.

Тим часом фізики продовжують цифрові експерименти. Фіала Шанахан, фізик ядра та елементарних частинок з Массачусетського технологічного інституту, очолює групу, яка обчислює поведінку кварків і глюонів, починаючи з рівнянь сильної сили. У 2019 році вона та її співробітники оцінив тиск і поперечних сил, а в жовтні вони оцінив радіус, серед інших властивостей. Наразі їхні цифрові висновки загалом узгоджуються з фізичними результатами Лабораторії Джефферсона. «Я, звичайно, дуже схвильований узгодженістю між останніми експериментальними результатами та нашими даними», — сказав Шанахан.

Навіть розмиті проблиски протона, отримані досі, дещо змінили розуміння дослідниками цієї частинки.

Деякі наслідки практичні. У CERN, європейській організації, яка керує Великим адронним колайдером, найбільшим у світі розбивачем протонів, фізики раніше припускали, що в деяких рідкісних зіткненнях кварки можуть бути де завгодно всередині стикаються протонів. Але карти, натхненні гравітацією, припускають, що в таких випадках кварки, як правило, висять поблизу центру.

«Моделі, які вони використовують у CERN, уже оновлені», — сказав Франсуа-Ксав’є Жирод, фізик із лабораторії Джефферсона, який працював над експериментами.

Нові карти також можуть запропонувати вказівки щодо вирішення однієї з найглибших таємниць протону: чому кварки взагалі зв’язуються в протони. Існує інтуїтивний аргумент, що оскільки сильна сила між кожною парою кварків посилюється, коли вони віддаляються один від одного, як еластична стрічка, кварки ніколи не можуть втекти від своїх товаришів.

Але протони складаються з найлегших членів сімейства кварків. А легкі кварки також можна розглядати як довгі хвилі, що поширюються за межі поверхні протона. Ця картина свідчить про те, що зв’язування протона може відбутися не через внутрішнє розтягування еластичних стрічок, а через деяку зовнішню взаємодію між цими хвилястими, витягнутими кварками. Карта тиску показує тяжіння сильної сили, що поширюється аж до 1.4 фемтометрів і далі, підкріплюючи аргументи на користь таких альтернативних теорій.

«Це не однозначна відповідь, — сказав Гірод, — але вона вказує на те, що ці прості зображення з еластичними стрічками не стосуються легких кварків».