A fizikusok úgy kezdték el felfedezni a protont, mintha az egy szubatomi bolygó lenne. A kivágott térképek a részecske belsejének újszerű részleteit jelenítik meg. A proton magjában erősebb nyomás uralkodik, mint bármely más ismert anyagforma esetében. Félúton a felszín felé ütköző erőörvények nyomulnak egymásnak. És a „bolygó” egésze kisebb, mint a korábbi kísérletek javasolták.

A kísérleti vizsgálatok a következő lépést jelentik annak a kutatásnak a következő szakaszában, hogy megértsük azt a részecskét, amely minden atomot lehorgonyoz, és amely világunk nagy részét alkotja.

„Valóban úgy látjuk, hogy ez egy teljesen új irányt nyit meg, amely megváltoztatja az anyag alapvető szerkezetére vonatkozó szemléletünket” – mondta Latifa Elouadrhiri, a virginiai Newport News-i Thomas Jefferson National Accelerator Facility fizikusa, aki részt vesz az erőfeszítésben.

A kísérletek szó szerint új megvilágításba helyezik a protont. A kutatók évtizedeken keresztül aprólékosan feltérképezték a pozitív töltésű részecske elektromágneses hatását. De az új kutatás során a Jefferson Lab fizikusai ehelyett a proton gravitációs hatását térképezik fel – nevezetesen az energiák, a nyomások és a nyírófeszültségek eloszlását, amelyek meghajlítják a tér-idő szövetet a részecskében és körülötte. A kutatók ezt úgy teszik, hogy kihasználják azt a sajátos módot, ahogyan fotonpárok, fényrészecskék képesek utánozni a gravitont, azt a feltételezett részecskét, amely a gravitációs erőt közvetíti. A proton fotonokkal való megpingelésével közvetve arra következtetnek, hogy a gravitáció hogyan lép kölcsönhatásba vele, megvalósítva azt a több évtizedes álmot, hogy a protont ezen az alternatív módon kérdezzék meg.

„Ez egy tour de force” – mondta Cédric Lorcé, a francia Ecole Polytechnique fizikusa, aki nem vett részt a munkában. – Kísérletileg ez rendkívül bonyolult. 

A fotonoktól a gravitonokig

A fizikusok az elmúlt 70 év során rengeteget tanultak a protonról azáltal, hogy ismételten elektronokkal találták el. Tudják, hogy elektromos töltése nagyjából 0.8 femtométernyire, vagyis a méter kvadrilliódodára terjed ki a középpontjától. Tudják, hogy a bejövő elektronok hajlamosak rápillantani a három kvark egyikére – töltéstörtekkel rendelkező elemi részecskékre –, amelyek zümmögnek benne. Megfigyelték a kvantumelmélet mélyen furcsa következményét is, amikor az erősebb ütközések során az elektronok habzó tengerrel találkozik sokkal több kvarkból, valamint gluonokból áll, az úgynevezett erős erő hordozói, amelyek a kvarkokat összeragasztják.

Mindezek az információk egyetlen összeállításból származnak: egy elektront lő ki egy protonra, és a részecskék egyetlen fotont cserélnek ki – az elektromágneses erő hordozóját –, és eltaszítják egymást. Ez az elektromágneses kölcsönhatás elárulja a fizikusoknak, hogy a kvarkok, mint töltött tárgyak, hogyan rendeződnek el. De sokkal több van a protonban, mint az elektromos töltése.

– Hogyan oszlik el az anyag és az energia? kérdezte Schweitzer Péter, a Connecticuti Egyetem elméleti fizikusa. – Nem tudjuk.

Schweitzer pályafutása nagy részét a proton gravitációs oldalára gondolta. Pontosabban, a proton tulajdonságainak mátrixa, az energia-impulzus tenzor érdekli. "Az energia-impulzus tenzor mindent tud, amit a részecskéről tudni lehet" - mondta.

Albert Einstein általános relativitáselméletében, amely a gravitációs vonzást a téridő görbéit követő objektumokként veti ki, az energia-impulzus tenzor megmondja a téridőnek, hogyan kell meghajolni. Leírja például az energia (vagy ennek megfelelően a tömeg) elrendezését – a tér-idő csavarodásának oroszlánrészét. Azt is nyomon követi, hogy a lendület hogyan oszlik el, valamint hol lesz tömörítés vagy tágulás, ami szintén enyhén görbítheti a téridőt.

Ha megtanulnánk a protont körülvevő téridő alakját, orosz és a Amerikai A fizikusok az 1960-as években önállóan kidolgozták, az energia-impulzus tenzorában indexelt összes tulajdonságra következtethettünk. Ezek közé tartozik a proton tömege és spinje, amelyek már ismertek, valamint a proton nyomásainak és erőinek elrendezése, a fizikusok a „druck kifejezés” néven emlegetik a német nyomás szó után. Ez a kifejezés „olyan fontos, mint a tömeg és a spin, és senki sem tudja, mi az” – mondta Schweitzer – bár ez kezd megváltozni.

A '60-as években úgy tűnt, hogy az energia-impulzus tenzor méréséhez és a Druck-tag kiszámításához a szokásos szórási kísérlet gravitációs változatára lesz szükség: egy hatalmas részecskét rágyújtasz egy protonra, és hagyod, hogy a kettő gravitont cseréljen - a hipotetikus részecskét. amely gravitációs hullámokat alkot – nem pedig fotont. De a gravitáció rendkívüli gyengesége miatt a fizikusok arra számítanak, hogy a gravitonszórás 39 nagyságrenddel ritkábban fordul elő, mint a fotonszórás. A kísérletek nem képesek ilyen gyenge hatást kimutatni.

„Emlékszem, diákkoromban olvastam erről” – mondta Volker Burkert, a Jefferson Lab csapatának tagja. A következtetés az volt, hogy „valószínűleg soha nem fogunk tudni semmit megtudni a részecskék mechanikai tulajdonságairól”.

Gravitáció Gravitáció nélkül

A gravitációs kísérletek ma még elképzelhetetlenek. De az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején Xiangdong Ji fizikusok és – külön-külön dolgozva – a néhai Maxim Polyakov kutatásai. kiderült a kerülő megoldás.

Az általános séma a következő. Ha egy elektront enyhén rálősz egy protonra, az általában egy fotont juttat az egyik kvarkba, és elnéz. De milliárdból kevesebb mint egy eseményben történik valami különleges. A bejövő elektron fotont küld be. Egy kvark elnyeli, majd egy szívdobbanással később újabb fotont bocsát ki. A legfontosabb különbség az, hogy ebben a ritka eseményben egy helyett két foton vesz részt – mind a bejövő, mind a kimenő fotonokat. Ji és Poljakov számításai azt mutatták, hogy ha a kísérletezők össze tudják gyűjteni a keletkező elektront, protont és fotont, akkor e részecskék energiáiból és impulzusaiból következtethetnének arra, hogy mi történt a két fotonnal. És ez a kétfoton kísérlet lényegében ugyanolyan informatív lenne, mint a lehetetlen gravitonszórási kísérlet.

Hogyan tudhatna két foton bármit is a gravitációról? A válasz a göcsörtös matematikában rejlik. A fizikusok azonban kétféle gondolkodásmódot kínálnak arra vonatkozóan, hogy miért működik a trükk.

A fotonok az elektromágneses tér hullámai, amelyek egyetlen nyíllal vagy vektorral írhatók le a tér minden pontján, jelezve a mező értékét és irányát. A gravitonok a téridő geometriájának hullámai, egy bonyolultabb mező, amelyet minden pontban két vektor kombinációja képvisel. A graviton rögzítése két információvektort adna a fizikusoknak. Ettől eltekintve két foton helyettesítheti a gravitont, mivel együttesen két információvektort is hordoznak.

A matematika alternatív értelmezése a következő. Abban a pillanatban, amikor egy kvark elnyeli az első fotont, és amikor kibocsátja a másodikat, a kvark egy utat követ a térben. Ennek az útnak a kipróbálásával olyan tulajdonságokat ismerhetünk meg, mint az utat körülvevő nyomások és erők.

„Nem gravitációs kísérletet végzünk” – mondta Lorcé. De „közvetett hozzáférést kell kapnunk ahhoz, hogy a proton hogyan lép kölcsönhatásba a gravitonnal”. 

Bolygó Proton szondázása

A Jefferson Lab fizikusai 2000-ben összekapartak néhány kétfotonos szórási eseményt. Ez a koncepció motiválta őket egy új kísérlet megalkotására, és 2007-ben annyiszor zúzták szét az elektronokat protonokká, hogy nagyjából 500,000 XNUMX gravitonutánzó ütközést tudtak összegyűjteni. A kísérleti adatok elemzése még egy évtizedet vett igénybe.

A tér-idő-hajlító tulajdonságok indexéből a csapat kivonta a megfoghatatlan Druck kifejezést, a publikálást becslésüket a proton belső nyomásától Természet A 2018.

Azt találták, hogy a proton szívében az erős erő elképzelhetetlen intenzitású nyomást kelt – 100 milliárd billió billió pascalt, vagyis körülbelül 10-szer akkora nyomást, mint egy neutroncsillag szívében. A középponttól távolabb a nyomás leesik, és végül befelé fordul, ahogyan az kell, hogy a proton ne robbantsa szét magát. "Ez a kísérletből adódik" - mondta Burkert. "Igen, a proton valójában stabil." (Ennek a megállapításnak nincs jelentősége hogy a protonok bomlanak-eazonban, ami bizonyos spekulatív elméletek által előre jelzett instabilitás más típusával jár.)

A Jefferson Lab csoport folytatta a Druck kifejezés elemzését. Kiadták a nyíróerők – a proton felületével párhuzamosan nyomó belső erők – becslését egy áttekintés részeként. decemberben jelent meg. A fizikusok azt találták, hogy a proton magjához közel csavaró erőt fejt ki, amely semlegesíthető a felszínhez közelebb eső irányú csavarással. Ezek a mérések a részecske stabilitását is alátámasztják. A fordulatok Schweitzer és Poljakov elméleti munkája alapján várhatóak. "Mindazonáltal igazán megdöbbentő látni, ahogy a kísérletből először kirajzolódik" - mondta Elouadrhiri.

Most ezekkel az eszközökkel új módon számítják ki a proton méretét. A hagyományos szórási kísérletekben a fizikusok azt figyelték meg, hogy a részecske elektromos töltése körülbelül 0.8 femtométerre terjed ki a középpontjától (vagyis az alkotó kvarkok ezen a területen zümmögnek). De ennek a „töltési sugárnak” van néhány furcsasága. Például a neutron esetében - a proton semleges megfelelője, amelyben két negatív töltésű kvark hajlamos a részecske mélyén lógni, míg egy pozitív töltésű kvark több időt tölt a felszín közelében - a töltés sugara negatív számként jelenik meg. . „Ez nem jelenti azt, hogy a méret negatív; ez egyszerűen nem hűséges mérték” – mondta Schweitzer.

Az új megközelítés a téridő azon régióját méri, amelyet jelentősen meggörbít a proton. A Jefferson Lab csapata egy előzetesen még nem vizsgált előzetesen úgy számolt, hogy ez a sugár kb 25%-kal kisebb mint a töltési sugár, mindössze 0.6 femtométer.

A bolygó protonjainak határai

Koncepcionálisan ez a fajta elemzés kisimítja a kvarkok elmosódott táncát egy szilárd, bolygószerű tárggyá, amelynek minden egyes térfogatfoszlányára nyomások és erők hatnak. Ez a fagyott bolygó nem tükrözi teljes mértékben a rekedt protont teljes kvantumdicsőségében, de hasznos modell. „Ez egy értelmezés” – mondta Schweitzer.

A fizikusok pedig hangsúlyozzák, hogy a kezdeti térképek durvák, néhány okból.

Először is, az energia-impulzus tenzor pontos mérése sokkal nagyobb ütközési energiákat igényel, mint amennyit a Jefferson Lab képes előállítani. A csapat keményen dolgozott, hogy gondosan extrapolálja a trendeket a viszonylag alacsony energiákból, amelyekhez hozzáférhetnek, de a fizikusok továbbra sem tudják, mennyire pontosak ezek az extrapolációk.

Ráadásul a proton több, mint a kvarkjai; gluonokat is tartalmaz, amelyek saját nyomásukkal és erejükkel lötyögnek. A kétfoton trükk nem képes észlelni a gluonok hatását. A Jefferson Lab egy külön csapata egy analóg trükköt (kettős-gluon kölcsönhatást magában foglalva) használt, hogy közzétegye a gluonhatások előzetes gravitációs térképét. Természet tavaly, de ez is korlátozott, alacsony energiafogyasztású adatokon alapult.

„Ez az első lépés” – mondta Yoshitaka Hatta, a Brookhaven National Laboratory fizikusa, akit a Jefferson Lab csoport 2018-as munkája után ihletett meg a gravitációs proton tanulmányozása.

Mind a proton kvarkjairól, mind gluonjairól élesebb gravitációs térképek készülhetnek a 2030-as években, amikor megkezdi működését a Brookhavenben jelenleg építés alatt álló Elektron-Ionütköztető.

Mindeközben a fizikusok digitális kísérleteket hajtanak végre. Phiala Shanahan, a Massachusetts Institute of Technology mag- és részecskefizikusa, egy csapatot vezet, amely az erős erő egyenleteiből kiindulva számítja ki a kvarkok és gluonok viselkedését. 2019-ben ő és munkatársai megbecsülte a nyomásokat és nyíróerők, októberben pedig azok megbecsülte a sugarat, egyéb tulajdonságok mellett. Eddig a digitális eredmények nagyjából megfeleltek a Jefferson Lab fizikai eredményeinek. „Minden bizonnyal nagyon izgatott a közelmúltbeli kísérleti eredmények és adataink közötti összhang” – mondta Shanahan.

Még a protonnak eddig elért homályos pillantásai is finoman átalakították a kutatók megértését a részecskéről.

Egyes következmények gyakorlatiak. A világ legnagyobb protontörőjét, a Large Hadron Collidert működtető európai szervezet, a CERN fizikusai korábban azt feltételezték, hogy bizonyos ritka ütközések esetén a kvarkok bárhol előfordulhatnak az ütköző protonokon belül. De a gravitációs ihletésű térképek azt sugallják, hogy ilyen esetekben a kvarkok hajlamosak a központ közelében lógni.

"A CERN-ben használt modelleket már frissítették" - mondta Francois-Xavier Girod, a Jefferson Lab fizikusa, aki a kísérleteken dolgozott.

Az új térképek útmutatást nyújthatnak a proton egyik legmélyebb rejtélyének megfejtéséhez is: egyáltalán miért kötődnek protonokká a kvarkok. Van egy intuitív érvelés, amely szerint mivel az egyes kvarkpárok közötti erős erő felerősödik, ahogy távolabb kerülnek egymástól, mint egy rugalmas szalag, a kvarkok soha nem tudnak elmenekülni a bajtársaik elől.

De a protonok a kvark család legkönnyebb tagjaiból készülnek. A könnyű kvarkokat a proton felszínén túlnyúló hosszú hullámoknak is fel lehet tekinteni. Ez a kép azt sugallja, hogy a proton megkötése nem rugalmas szalagok belső húzásával, hanem e hullámos, kinyújtott kvarkok közötti külső kölcsönhatás révén valósulhat meg. A nyomástérkép megmutatja az erős erő vonzását, amely egészen 1.4 femtométerig és tovább terjed, megerősítve az ilyen alternatív elméletek melletti érvelést.

"Ez nem biztos válasz" - mondta Girod -, de arra a tényre mutat, hogy ezek az egyszerű, rugalmas szalagos képek nem relevánsak a könnyű kvarkok esetében.