Physiker haben begonnen, das Proton zu erforschen, als wäre es ein subatomarer Planet. Schnittkarten zeigen neu entdeckte Details des Partikelinneren. Im Kern des Protons herrschen höhere Drücke als in jeder anderen bekannten Materieform. Auf halber Höhe der Oberfläche stoßen aufeinander prallende Kraftwirbel aufeinander. Und der „Planet“ als Ganzes ist kleiner, als frühere Experimente vermuten ließen.

Die experimentellen Untersuchungen markieren den nächsten Schritt auf der Suche nach dem Verständnis des Teilchens, das jedes Atom verankert und den Großteil unserer Welt ausmacht.

„Wir sehen darin wirklich eine völlig neue Richtung, die unsere Sichtweise auf die grundlegende Struktur der Materie verändern wird“, sagte er Latifa Elouadrhiri, ein Physiker an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, der an den Bemühungen beteiligt ist.

Die Experimente werfen im wahrsten Sinne des Wortes ein neues Licht auf das Proton. Über Jahrzehnte haben Forscher den elektromagnetischen Einfluss des positiv geladenen Teilchens akribisch kartiert. Aber in der neuen Forschung kartieren die Physiker des Jefferson Lab stattdessen den gravitativen Einfluss des Protons – nämlich die Verteilung von Energien, Drücken und Scherspannungen im gesamten Körper, die das Raum-Zeit-Gefüge im und um das Teilchen biegen. Dazu nutzen die Forscher eine besondere Art und Weise aus, wie Photonenpaare, also Lichtteilchen, ein Graviton imitieren können, das hypothetische Teilchen, das die Schwerkraft überträgt. Indem sie das Proton mit Photonen anpingen, schließen sie indirekt, wie die Schwerkraft mit ihm interagieren würde, und verwirklichen so einen jahrzehntealten Traum, das Proton auf diese alternative Weise zu befragen.

„Es ist eine Meisterleistung“, sagte er Cédric Lorcé, ein Physiker an der Ecole Polytechnique in Frankreich, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Experimentell ist es äußerst kompliziert.“ 

Von Photonen zu Gravitonen

Physiker haben in den letzten 70 Jahren enorm viel über das Proton gelernt, indem sie es immer wieder mit Elektronen beschossen haben. Sie wissen, dass sich seine elektrische Ladung etwa 0.8 Femtometer oder Billiardstel Meter von seinem Zentrum entfernt erstreckt. Sie wissen, dass einfallende Elektronen dazu neigen, von einem der drei darin herumschwirrenden Quarks – Elementarteilchen mit Ladungsanteilen – abzuprallen. Sie haben auch die zutiefst seltsame Konsequenz der Quantentheorie beobachtet, dass Elektronen bei heftigeren Kollisionen dies zu tun scheinen Begegnung mit einem schaumigen Meer besteht aus weitaus mehr Quarks sowie Gluonen, den Trägern der sogenannten starken Kraft, die die Quarks zusammenklebt.

Alle diese Informationen stammen aus einem einzigen Aufbau: Sie feuern ein Elektron auf ein Proton, und die Teilchen tauschen ein einzelnes Photon – den Träger der elektromagnetischen Kraft – aus und stoßen sich gegenseitig weg. Diese elektromagnetische Wechselwirkung verrät Physikern, wie Quarks als geladene Objekte dazu neigen, sich anzuordnen. Aber das Proton hat noch viel mehr zu bieten als nur seine elektrische Ladung.

„Wie verteilen sich Materie und Energie?“ fragte Peter Schweitzer, ein theoretischer Physiker an der University of Connecticut. „Wir wissen es nicht.“

Schweitzer hat den größten Teil seiner Karriere damit verbracht, über die Gravitationsseite des Protons nachzudenken. Insbesondere interessiert er sich für eine Matrix von Eigenschaften des Protons, den sogenannten Energie-Impuls-Tensor. „Der Energie-Impuls-Tensor weiß alles, was es über das Teilchen zu wissen gibt“, sagte er.

In Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die die Anziehung durch Gravitation als Objekte darstellt, die Kurven in der Raumzeit folgen, sagt der Energie-Impuls-Tensor der Raumzeit, wie sie sich biegen soll. Es beschreibt zum Beispiel die Anordnung der Energie (oder gleichwertig der Masse) – die Quelle des Löwenanteils der Raum-Zeit-Verdrehung. Es verfolgt auch Informationen darüber, wie der Impuls verteilt wird und wo es zu einer Kompression oder Expansion kommt, was ebenfalls zu einer leichten Krümmung der Raumzeit führen kann.

Wenn wir die Form der Raumzeit um ein Proton lernen könnten, Russisch und amerikanisch Nachdem Physiker in den 1960er Jahren unabhängig voneinander herausgefunden hatten, konnten wir alle in seinem Energie-Impuls-Tensor indizierten Eigenschaften ableiten. Dazu gehören die Masse und der Spin des Protons, die bereits bekannt sind, sowie die Anordnung der Drücke und Kräfte des Protons, eine kollektive Eigenschaft, die Physiker nach dem deutschen Wort für Druck als „Druck-Begriff“ bezeichnen. Dieser Begriff sei „so wichtig wie Masse und Spin, und niemand weiß, was er ist“, sagte Schweitzer – obwohl sich das allmählich ändert.

In den 60er Jahren schien es, als ob die Messung des Energie-Impuls-Tensors und die Berechnung des Druck-Terms eine Gravitationsversion des üblichen Streuexperiments erfordern würden: Man feuert ein massives Teilchen auf ein Proton und lässt die beiden ein Graviton austauschen – das hypothetische Teilchen das macht Gravitationswellen aus – und nicht ein Photon. Aufgrund der extremen Schwäche der Schwerkraft gehen Physiker jedoch davon aus, dass die Streuung von Gravitonen um 39 Größenordnungen seltener auftritt als die Streuung von Photonen. Experimente können einen so schwachen Effekt unmöglich nachweisen.

„Ich erinnere mich, dass ich als Student darüber gelesen habe“, sagte er Volker Burkert, ein Mitglied des Jefferson Lab-Teams. Die Erkenntnis lautete: „Wir werden wahrscheinlich nie etwas über die mechanischen Eigenschaften von Partikeln lernen können.“

Schwerkraft ohne Schwerkraft

Gravitationsexperimente sind heute noch unvorstellbar. Aber Forschungen in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren durch die Physiker Xiangdong Ji und, getrennt arbeitend, den verstorbenen Maxim Polyakov enthüllt a Problemumgehung.

Das allgemeine Schema ist das folgende. Wenn man ein Elektron leicht auf ein Proton abfeuert, sendet es normalerweise ein Photon an eines der Quarks und schleudert es ab. Aber bei weniger als einem von einer Milliarde Ereignissen passiert etwas Besonderes. Das einfallende Elektron sendet ein Photon aus. Ein Quark absorbiert es und sendet einen Herzschlag später ein weiteres Photon aus. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei diesem seltenen Ereignis zwei Photonen statt eines beteiligt sind – sowohl ein- als auch ausgehende Photonen. Die Berechnungen von Ji und Polyakov zeigten, dass Experimentatoren, wenn sie die resultierenden Elektronen, Protonen und Photonen sammeln könnten, aus den Energien und Impulsen dieser Teilchen schließen könnten, was mit den beiden Photonen passiert ist. Und dieses Zwei-Photonen-Experiment wäre im Wesentlichen genauso aufschlussreich wie das unmögliche Experiment zur Gravitonenstreuung.

Wie könnten zwei Photonen etwas über die Schwerkraft wissen? Die Antwort erfordert knifflige Mathematik. Aber Physiker bieten zwei Möglichkeiten an, darüber nachzudenken, warum der Trick funktioniert.

Photonen sind Wellen im elektromagnetischen Feld, die durch einen einzelnen Pfeil oder Vektor an jeder Stelle im Raum beschrieben werden können, der den Wert und die Richtung des Feldes angibt. Gravitonen wären Wellen in der Geometrie der Raumzeit, einem komplizierteren Feld, das durch eine Kombination zweier Vektoren an jedem Punkt dargestellt wird. Das Einfangen eines Gravitons würde den Physikern zwei Informationsvektoren liefern. Abgesehen davon können zwei Photonen ein Graviton ersetzen, da sie zusammen auch zwei Informationsvektoren tragen.

Eine alternative Interpretation der Mathematik lautet wie folgt. In dem Moment, der zwischen der Absorption des ersten Photons durch ein Quark und der Emission des zweiten Photons vergeht, folgt das Quark einem Weg durch den Raum. Indem wir diesen Weg erkunden, können wir etwas über Eigenschaften wie die Drücke und Kräfte erfahren, die den Weg umgeben.

„Wir machen kein Gravitationsexperiment“, sagte Lorcé. Aber „wir sollten einen indirekten Zugang dazu erhalten, wie ein Proton mit einem Graviton interagieren soll.“ 

Erforschung des Planeten Proton

Die Physiker des Jefferson Lab haben im Jahr 2000 ein paar Zwei-Photonen-Streuungsereignisse zusammengekratzt. Dieser Proof of Concept motivierte sie, ein neues Experiment zu bauen, und im Jahr 2007 schlugen sie Elektronen so oft in Protonen, dass es zu etwa 500,000 Gravitonen-ähnlichen Kollisionen kam. Die Analyse der experimentellen Daten dauerte ein weiteres Jahrzehnt.

Aus ihrem Index der raumzeitverändernden Eigenschaften extrahierte das Team den schwer fassbaren Druck-Begriff „Publishing“. ihre Schätzung des Innendrucks des Protons in Natur .

Sie fanden heraus, dass die starke Kraft im Herzen des Protons Drücke von unvorstellbarer Intensität erzeugt – 100 Milliarden Billionen Billionen Pascal oder etwa das Zehnfache des Drucks im Herzen eines Neutronensterns. Weiter außerhalb des Zentrums nimmt der Druck ab und dreht sich schließlich nach innen, wie es sein muss, damit das Proton nicht auseinanderfliegt. „Das ist das Ergebnis des Experiments“, sagte Burkert. „Ja, ein Proton ist tatsächlich stabil.“ (Diese Feststellung hat keinen Einfluss auf ob Protonen zerfallen, was jedoch eine andere Art von Instabilität beinhaltet, die von einigen spekulativen Theorien vorhergesagt wird.)

Die Jefferson Lab-Gruppe analysierte den Druck-Begriff weiter. Im Rahmen einer Überprüfung veröffentlichten sie eine Schätzung der Scherkräfte – innere Kräfte, die parallel zur Oberfläche des Protons wirken im Dezember veröffentlicht. Die Physiker fanden heraus, dass das Proton in der Nähe seines Kerns eine Verdrehungskraft erfährt, die durch eine Verdrehung in die andere Richtung näher an der Oberfläche neutralisiert wird. Diese Messungen unterstreichen auch die Stabilität des Partikels. Die Wendungen waren aufgrund der theoretischen Arbeiten von Schweitzer und Polyakov erwartet worden. „Dennoch ist es wirklich erstaunlich zu sehen, wie es zum ersten Mal aus dem Experiment hervorgeht“, sagte Elouadrhiri.

Jetzt verwenden sie diese Werkzeuge, um die Größe des Protons auf eine neue Art und Weise zu berechnen. In herkömmlichen Streuexperimenten hatten Physiker beobachtet, dass sich die elektrische Ladung des Teilchens etwa 0.8 Femtometer von seinem Zentrum entfernt erstreckt (das heißt, die Quarks, aus denen es besteht, schwirren in diesem Bereich umher). Aber dieser „Laderadius“ hat einige Besonderheiten. Im Fall des Neutrons zum Beispiel – dem neutralen Gegenstück zum Proton, bei dem zwei negativ geladene Quarks dazu neigen, sich tief im Inneren des Teilchens aufzuhalten, während ein positiv geladener Quark mehr Zeit in der Nähe der Oberfläche verbringt – ergibt sich der Ladungsradius als negative Zahl . „Das bedeutet nicht, dass die Größe negativ ist; Es ist einfach kein verlässlicher Maßstab“, sagte Schweitzer.

Der neue Ansatz misst den Bereich der Raumzeit, der durch das Proton deutlich gekrümmt wird. In einem Vorabdruck, der noch nicht von Experten begutachtet wurde, hat das Jefferson Lab-Team berechnet, dass dieser Radius sein könnte etwa 25 % kleiner als der Ladungsradius, nur 0.6 Femtometer.

Die Grenzen des Planeten Proton

Konzeptionell glättet diese Art der Analyse den verschwommenen Tanz der Quarks zu einem festen, planetenähnlichen Objekt, wobei auf jeden Volumenfleck Druck und Kräfte wirken. Dieser gefrorene Planet spiegelt das laute Proton in seiner ganzen Quantenpracht nicht vollständig wider, ist aber ein nützliches Modell. „Es ist eine Interpretation“, sagte Schweitzer.

Und Physiker betonen aus mehreren Gründen, dass die ersten Karten grob sind.

Erstens würde die genaue Messung des Energie-Impuls-Tensors viel höhere Kollisionsenergien erfordern, als Jefferson Lab erzeugen kann. Das Team hat hart daran gearbeitet, Trends sorgfältig aus den relativ niedrigen Energien, auf die es zugreifen kann, zu extrapolieren, aber die Physiker sind sich noch nicht sicher, wie genau diese Extrapolationen sind.

Darüber hinaus ist das Proton mehr als seine Quarks; es enthält auch Gluonen, die mit ihrem eigenen Druck und ihren eigenen Kräften herumschwappen. Der Zwei-Photonen-Trick kann die Effekte von Gluonen nicht erkennen. Ein separates Team am Jefferson Lab verwendete einen analogen Trick (der eine Doppel-Gluon-Wechselwirkung beinhaltet), um eine vorläufige Gravitationskarte dieser Gluon-Effekte zu veröffentlichen Natur letztes Jahr, aber auch es basierte auf begrenzten, energiearmen Daten.

„Es ist ein erster Schritt“, sagte Yoshitaka Hatta, ein Physiker am Brookhaven National Laboratory, der nach der Arbeit der Jefferson Lab-Gruppe im Jahr 2018 inspiriert wurde, mit der Untersuchung des Gravitationsprotons zu beginnen.

Schärfere Gravitationskarten sowohl der Quarks als auch der Gluonen des Protons könnten in den 2030er Jahren verfügbar sein, wenn der Electron-Ion Collider, ein Experiment, das derzeit in Brookhaven gebaut wird, seinen Betrieb aufnimmt.

Mittlerweile treiben Physiker digitale Experimente voran. Phiala Shanahan, Kern- und Teilchenphysiker am Massachusetts Institute of Technology, leitet ein Team, das das Verhalten von Quarks und Gluonen ausgehend von den Gleichungen der starken Kraft berechnet. Im Jahr 2019 haben sie und ihre Mitarbeiter schätzte die Belastungen ein und Scherkräfte, und im Oktober sie den Radius geschätzt, unter anderem. Bisher stimmen ihre digitalen Ergebnisse weitgehend mit den physischen Ergebnissen von Jefferson Lab überein. „Ich bin auf jeden Fall sehr begeistert von der Übereinstimmung zwischen den jüngsten experimentellen Ergebnissen und unseren Daten“, sagte Shanahan.

Sogar die verschwommenen Einblicke in das Proton, die bisher gewonnen wurden, haben das Verständnis der Forscher über das Teilchen sanft verändert.

Einige Konsequenzen sind praktisch. Am CERN, der europäischen Organisation, die den Large Hadron Collider, den weltweit größten Protonenzerstörer, betreibt, waren Physiker bisher davon ausgegangen, dass sich bei bestimmten seltenen Kollisionen Quarks irgendwo innerhalb der kollidierenden Protonen befinden könnten. Aber die von der Gravitation inspirierten Karten deuten darauf hin, dass Quarks in solchen Fällen dazu neigen, sich in der Nähe des Zentrums aufzuhalten.

„Die am CERN verwendeten Modelle wurden bereits aktualisiert“, sagte Francois-Xavier Girod, ein Physiker des Jefferson Lab, der an den Experimenten arbeitete.

Die neuen Karten könnten auch eine Anleitung zur Lösung eines der tiefsten Rätsel des Protons sein: Warum Quarks sich überhaupt an Protonen binden. Es gibt ein intuitives Argument dafür, dass Quarks niemals ihren Kameraden entkommen können, weil die starke Kraft zwischen den einzelnen Quarkpaaren zunimmt, je weiter sie voneinander entfernt sind, wie bei einem elastischen Band.

Aber Protonen werden aus den leichtesten Mitgliedern der Quarkfamilie hergestellt. Und leichte Quarks kann man sich auch als lange Wellen vorstellen, die sich über die Oberfläche des Protons hinaus erstrecken. Dieses Bild deutet darauf hin, dass die Bindung des Protons möglicherweise nicht durch das innere Ziehen elastischer Bänder, sondern durch eine äußere Wechselwirkung zwischen diesen wellenförmigen, langgezogenen Quarks zustande kommt. Die Druckkarte zeigt die Anziehungskraft der starken Kraft, die sich bis zu 1.4 Femtometern und darüber hinaus erstreckt, was das Argument für solche alternativen Theorien untermauert.

„Das ist keine eindeutige Antwort“, sagte Girod, „aber es deutet darauf hin, dass diese einfachen Bilder mit elastischen Bändern für leichte Quarks nicht relevant sind.“