بدأ الفيزيائيون في استكشاف البروتون كما لو كان كوكبًا دون ذري. تعرض الخرائط المقطوعة تفاصيل جديدة عن الجزء الداخلي للجسيم. يتميز قلب البروتون بضغوط أكثر كثافة من أي شكل آخر معروف من أشكال المادة. في منتصف الطريق إلى السطح، تتصادم دوامات القوة ضد بعضها البعض. و"الكوكب" ككل أصغر مما اقترحته التجارب السابقة.

تمثل التحقيقات التجريبية المرحلة التالية في السعي لفهم الجسيم الذي يثبت كل ذرة ويشكل الجزء الأكبر من عالمنا.

وقال: "إننا نرى أنه يفتح اتجاهًا جديدًا تمامًا من شأنه أن يغير طريقتنا في النظر إلى البنية الأساسية للمادة". لطيفة الوادغيري، وهو فيزيائي في مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرعات في نيوبورت نيوز بولاية فيرجينيا، والذي يشارك في هذا الجهد.

تسلط التجارب حرفيًا ضوءًا جديدًا على البروتون. على مدى عقود، رسم الباحثون بدقة التأثير الكهرومغناطيسي للجسيمات الموجبة الشحنة. لكن في البحث الجديد، يقوم فيزيائيو مختبر جيفرسون بدلاً من ذلك برسم خريطة لتأثير جاذبية البروتون، أي توزيع الطاقات والضغوط وإجهادات القص في جميع الأنحاء، والتي تؤدي إلى ثني نسيج الزمكان داخل الجسيم وحوله. يقوم الباحثون بذلك عن طريق استغلال طريقة غريبة يمكن من خلالها لأزواج الفوتونات، وهي جسيمات الضوء، تقليد الغرافيتون، وهو الجسيم المفترض الذي ينقل قوة الجاذبية. ومن خلال اختبار البروتون بالفوتونات، يستنتجون بشكل غير مباشر كيفية تفاعل الجاذبية معه، مما يحقق حلمًا عمره عقودًا باستجواب البروتون بهذه الطريقة البديلة.

قال: "إنها جولة القوة". سيدريك لوركي، وهو فيزيائي في مدرسة البوليتكنيك في فرنسا ولم يشارك في العمل. "من الناحية التجريبية، الأمر معقد للغاية." 

من الفوتونات إلى الجرافيتونات

لقد تعلم الفيزيائيون قدرًا هائلاً عن البروتون على مدار السبعين عامًا الماضية من خلال ضربه بالإلكترونات بشكل متكرر. وهم يعلمون أن شحنته الكهربائية تمتد حوالي 70 فيمتومتر، أو كوادريليون من المتر، من مركزه. وهم يعلمون أن الإلكترونات الواردة تميل إلى إلقاء نظرة سريعة على واحد من الكواركات الثلاثة - وهي جسيمات أولية ذات أجزاء من الشحنة - التي تطن داخلها. وقد لاحظوا أيضًا النتيجة الغريبة للغاية لنظرية الكم، حيث تظهر الإلكترونات في الاصطدامات الأكثر قوة مواجهة بحر مزبد تتكون من عدد أكبر بكثير من الكواركات والجلونات، وهي حاملات ما يسمى بالقوة القوية، التي تلصق الكواركات معًا.

تأتي كل هذه المعلومات من إعداد واحد: تقوم بإطلاق إلكترون على بروتون، وتتبادل الجسيمات فوتونًا واحدًا - حامل القوة الكهرومغناطيسية - وتدفع بعضها البعض بعيدًا. يخبر هذا التفاعل الكهرومغناطيسي الفيزيائيين كيف تميل الكواركات، كأجسام مشحونة، إلى ترتيب نفسها. لكن يوجد في البروتون ما هو أكثر بكثير من شحنته الكهربائية.

"كيف يتم توزيع المادة والطاقة؟" طلبت بيتر شفايتزر، عالم فيزياء نظرية في جامعة كونيتيكت. "نحن لا نعرف."

قضى شفايتزر معظم حياته المهنية في التفكير في جانب الجاذبية للبروتون. وعلى وجه التحديد، فهو مهتم بمصفوفة خصائص البروتون التي تسمى موتر زخم الطاقة. وقال: "إن موتر زخم الطاقة يعرف كل ما يمكن معرفته عن الجسيم".

في نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، التي تصور الجاذبية كأجسام تتبع منحنيات في الزمكان، يخبر موتر زخم الطاقة الزمكان كيف ينحني. فهو يصف، على سبيل المثال، ترتيب الطاقة (أو الكتلة) – مصدر نصيب الأسد من التواء الزمكان. كما أنه يتتبع معلومات حول كيفية توزيع الزخم، بالإضافة إلى مكان وجود ضغط أو تمدد، والذي يمكن أيضًا أن يؤدي إلى انحناء الزمكان بشكل طفيف.

إذا تمكنا من معرفة شكل الزمكان المحيط بالبروتون، روسي و أمريكي بعد أن عمل الفيزيائيون بشكل مستقل في ستينيات القرن الماضي، تمكنا من استنتاج جميع الخصائص المفهرسة في موتر زخم الطاقة. وتشمل تلك كتلة البروتون ودورانه، المعروفين بالفعل، إلى جانب ترتيب ضغوط البروتون وقواه، وهي خاصية جماعية يشير إليها الفيزيائيون باسم "مصطلح Druck"، نسبة إلى كلمة الضغط باللغة الألمانية. قال شفايتزر إن هذا المصطلح "لا يقل أهمية عن الكتلة والدوران، ولا أحد يعرف ما هو"، على الرغم من أن هذا بدأ يتغير.

في الستينيات، بدا كما لو أن قياس موتر زخم الطاقة وحساب مصطلح دروك سيتطلب نسخة جاذبية من تجربة التشتت المعتادة: حيث تقوم بإطلاق جسيم ضخم على بروتون وتترك الاثنين يتبادلان الجرافتون - الجسيم الافتراضي التي تشكل موجات الجاذبية – بدلاً من الفوتون. ولكن بسبب الضعف الشديد للجاذبية، يتوقع الفيزيائيون أن يحدث تشتت الغرافيتون بمقدار 60 مرة أكثر نادرًا من تشتت الفوتون. لا يمكن للتجارب اكتشاف مثل هذا التأثير الضعيف.

قال: "أتذكر أنني قرأت عن هذا عندما كنت طالباً". فولكر بوركيرت، عضو في فريق مختبر جيفرسون. وكانت النتيجة أننا "ربما لن نتمكن أبدًا من تعلم أي شيء عن الخواص الميكانيكية للجسيمات".

الجاذبية بدون الجاذبية

تجارب الجاذبية لا تزال غير قابلة للتصور اليوم. لكن الأبحاث التي أجريت في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أجراها الفيزيائيان شيانغ دونغ جي، والراحل مكسيم بولياكوف، اللذان يعملان بشكل منفصل كشف a الحل.

المخطط العام هو ما يلي. عندما تطلق إلكترونًا بخفة على بروتون، فإنه عادةً ما يسلم فوتونًا إلى أحد الكواركات وينظر بعيدًا. ولكن في أقل من حدث واحد من بين مليار حدث، يحدث شيء مميز. يرسل الإلكترون الوارد فوتونًا. يمتصه الكوارك ثم يصدر فوتونًا آخر بعد نبضة قلب. والفرق الرئيسي هو أن هذا الحدث النادر يتضمن فوتونين بدلاً من فوتون واحد، سواء الفوتونات الواردة أو الصادرة. أظهرت حسابات جي وبولياكوف أنه إذا تمكن التجريبيون من جمع الإلكترون والبروتون والفوتون الناتج، فيمكنهم أن يستنتجوا من طاقات وزخم هذه الجسيمات ما حدث مع الفوتونين. وستكون تجربة الفوتون تلك مفيدة بشكل أساسي مثل تجربة تبعثر الغرافيتون المستحيلة.

كيف يمكن أن يعرف فوتونان أي شيء عن الجاذبية؟ الجواب ينطوي على الرياضيات الشريرة. لكن الفيزيائيين يقدمون طريقتين للتفكير في سبب نجاح هذه الحيلة.

الفوتونات عبارة عن تموجات في المجال الكهرومغناطيسي، يمكن وصفها بسهم واحد، أو متجه، في كل موقع في الفضاء يشير إلى قيمة المجال واتجاهه. ستكون الغرافيتونات عبارة عن تموجات في هندسة الزمكان، وهو مجال أكثر تعقيدًا يتمثل في مزيج من متجهين في كل نقطة. إن التقاط الغرافيتون من شأنه أن يمنح الفيزيائيين ناقلين للمعلومات. بخلاف ذلك، يمكن أن يحل فوتونان محل الجرافيتون، حيث أنهما يحملان معًا أيضًا متجهين للمعلومات.

تفسير بديل للرياضيات يذهب على النحو التالي. خلال اللحظة التي تنقضي بين امتصاص الكوارك للفوتون الأول وإصداره للفوتون الثاني، يتبع الكوارك مسارًا عبر الفضاء. ومن خلال فحص هذا المسار، يمكننا التعرف على خصائص مثل الضغوط والقوى التي تحيط بالمسار.

وقال لوركي: "نحن لا نقوم بتجربة الجاذبية". لكن "يجب أن نحصل على وصول غير مباشر إلى كيفية تفاعل البروتون مع الجرافيتون". 

سبر كوكب البروتون

قام فيزيائيو مختبر جيفرسون بتجميع عدد قليل من أحداث تشتت الفوتون في عام 2000. وقد حفزهم إثبات المفهوم على بناء تجربة جديدة، وفي عام 2007، قاموا بتحطيم الإلكترونات إلى بروتونات مرات كافية لتجميع ما يقرب من 500,000 تصادم يحاكي الجرافيتون. استغرق تحليل البيانات التجريبية عقدًا آخر.

ومن فهرس خصائص انحناء الزمكان، استخرج الفريق مصطلح دروك بعيد المنال، وهو النشر تقديرهم من الضغوط الداخلية للبروتون في الطبيعة في 2018.

ووجدوا أنه في قلب البروتون، تولد القوة الشديدة ضغوطًا ذات كثافة لا يمكن تصورها - 100 مليار تريليون تريليون تريليون باسكال، أو حوالي 10 أضعاف الضغط في قلب النجم النيوتروني. بعيدًا عن المركز، ينخفض ​​الضغط ويتحول في النهاية إلى الداخل، وهو أمر ضروري حتى لا ينفجر البروتون. وقال بوركيرت: "هذا يأتي من التجربة". "نعم، البروتون في الواقع مستقر." (هذه النتيجة ليس لها أي تأثير ما إذا كانت البروتونات تتحلل(ومع ذلك، والذي ينطوي على نوع مختلف من عدم الاستقرار الذي تنبأت به بعض النظريات التأملية).

واصلت مجموعة مختبر جيفرسون تحليل مصطلح دروك. لقد أصدروا تقديرًا لقوى القص - القوى الداخلية التي تدفع بالتوازي مع سطح البروتون - كجزء من المراجعة نشرت في ديسمبر. ووجد الفيزيائيون أن البروتون يتعرض لقوة ملتوية بالقرب من قلبه، والتي يتم تحييدها عن طريق الالتواء في الاتجاه الآخر بالقرب من السطح. تؤكد هذه القياسات أيضًا على استقرار الجسيم. وكانت هذه التقلبات متوقعة بناءً على العمل النظري لشفايتزر وبولياكوف. وقال الوادغيري: "ومع ذلك، فإن رؤية ظهوره من التجربة لأول مرة أمر مذهل حقًا".

والآن يستخدمون هذه الأدوات لحساب حجم البروتون بطريقة جديدة. وفي تجارب التشتت التقليدية، لاحظ الفيزيائيون أن الشحنة الكهربائية للجسيم تمتد حوالي 0.8 فيمتومتر من مركزه (أي أن الكواركات المكونة له تطن في تلك المنطقة). لكن "نصف قطر الشحنة" هذا به بعض المراوغات. في حالة النيوترون، على سبيل المثال - نظير البروتون المحايد، حيث يميل كواركان مشحونان بشحنة سالبة إلى التواجد عميقًا داخل الجسيم بينما يقضي كوارك موجب الشحنة وقتًا أطول بالقرب من السطح - يظهر نصف قطر الشحنة كرقم سالب . "هذا لا يعني أن الحجم سلبي؛ قال شفايتزر: "إنه ليس إجراءً أمينًا".

يقيس النهج الجديد منطقة الزمكان التي ينحنيها البروتون بشكل كبير. في النسخة الأولية التي لم تخضع لمراجعة النظراء بعد، حسب فريق مختبر جيفرسون أن هذا نصف القطر قد يكون كذلك أصغر بحوالي 25% من نصف قطر الشحنة، فقط 0.6 فيمتومتر.

حدود كوكب البروتون

من الناحية النظرية، يعمل هذا النوع من التحليل على تسهيل الرقصة الضبابية للكواركات في جسم صلب يشبه الكوكب، مع تأثير الضغوط والقوى على كل بقعة من الحجم. هذا الكوكب المتجمد لا يعكس بشكل كامل البروتون الصاخب بكل مجده الكمي، لكنه نموذج مفيد. قال شفايتزر: "إنه تفسير".

ويؤكد الفيزيائيون أن الخرائط الأولية أولية لعدة أسباب.

أولاً، يتطلب القياس الدقيق لموتر زخم الطاقة طاقات تصادم أعلى بكثير مما يستطيع مختبر جيفرسون إنتاجه. لقد عمل الفريق بجد لاستقراء الاتجاهات بعناية من الطاقات المنخفضة نسبيًا التي يمكنهم الوصول إليها، لكن الفيزيائيين ما زالوا غير متأكدين من مدى دقة هذه الاستقراءات.

علاوة على ذلك، فإن البروتون أكثر من كواركاته؛ كما أنه يحتوي أيضًا على غلوونات، والتي تتحرك بضغوطها وقواها الخاصة. لا تستطيع خدعة الفوتونين اكتشاف تأثيرات الغلوونات. استخدم فريق منفصل في مختبر جيفرسون خدعة مماثلة (تتضمن تفاعل الغلوون المزدوج) لنشر خريطة جاذبية أولية لتأثيرات الغلوون هذه في الطبيعة العام الماضيولكنها أيضًا كانت مبنية على بيانات محدودة ومنخفضة الطاقة.

قال يوشيتاكا هاتا، عالم الفيزياء في مختبر بروكهافن الوطني، الذي ألهمه لبدء دراسة بروتون الجاذبية بعد عمل مجموعة مختبر جيفرسون عام 2018: "إنها خطوة أولى".

قد تظهر خرائط جاذبية أكثر وضوحًا لكل من كواركات البروتون وجلووناته في ثلاثينيات القرن الحالي عندما يبدأ مصادم الإلكترون والأيون، وهو تجربة قيد الإنشاء حاليًا في بروكهافن، عملياته.

وفي هذه الأثناء، يمضي الفيزيائيون قدماً في التجارب الرقمية. فيالا شاناهان، وهو عالم فيزياء الجسيمات النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يقود فريقًا يقوم بحساب سلوك الكواركات والجلونات بدءًا من معادلات القوة القوية. في عام 2019، قامت هي ومعاونوها يقدر الضغوط وقوى القص، وفي أكتوبر هم يقدر نصف القطر، من بين خصائص أخرى. حتى الآن، تتوافق النتائج الرقمية التي توصلوا إليها على نطاق واسع مع النتائج المادية التي توصل إليها مختبر جيفرسون. وقال شاناهان: "أنا بالتأكيد متحمس للغاية للاتساق بين النتائج التجريبية الأخيرة وبياناتنا".

وحتى اللمحات الضبابية للبروتون التي تم الحصول عليها حتى الآن أعادت تشكيل فهم الباحثين للجسيم بلطف.

بعض العواقب عملية. في CERN، المنظمة الأوروبية التي تدير مصادم الهادرونات الكبير، وهو أكبر مصادم للبروتونات في العالم، افترض الفيزيائيون سابقًا أنه في بعض التصادمات النادرة، يمكن أن تكون الكواركات في أي مكان داخل البروتونات المتصادمة. لكن الخرائط المستوحاة من الجاذبية تشير إلى أن الكواركات تميل إلى التواجد بالقرب من المركز في مثل هذه الحالات.

وقال فرانسوا كزافييه جيرود، عالم الفيزياء في مختبر جيفرسون الذي عمل في التجارب: "لقد تم بالفعل تحديث النماذج التي يستخدمونها في CERN".

قد تقدم الخرائط الجديدة أيضًا إرشادات لحل أحد أعمق ألغاز البروتون: لماذا ترتبط الكواركات بالبروتونات على الإطلاق. هناك حجة بديهية مفادها أنه نظرًا لأن القوة القوية بين كل زوج من الكواركات تشتد كلما ابتعدت عن بعضها البعض، مثل الشريط المطاطي، فلا يمكن للكواركات أبدًا الهروب من رفاقها.

لكن البروتونات مصنوعة من أخف أعضاء عائلة الكواركات. ويمكن أيضًا اعتبار الكواركات خفيفة الوزن بمثابة موجات طويلة تمتد إلى ما وراء سطح البروتون. تشير هذه الصورة إلى أن ارتباط البروتون قد لا يحدث من خلال السحب الداخلي للأشرطة المرنة، بل من خلال بعض التفاعل الخارجي بين هذه الكواركات المتموجة والممتدة. تُظهر خريطة الضغط جاذبية القوة الشديدة الممتدة على طول الطريق إلى 1.4 فيمتومتر وما بعده، مما يعزز الحجة المؤيدة لمثل هذه النظريات البديلة.

قال جيرود: "إنها ليست إجابة محددة، لكنها تشير إلى حقيقة أن هذه الصور البسيطة ذات الأشرطة المرنة ليست ذات صلة بالكواركات الخفيفة".