Οι φυσικοί έχουν αρχίσει να εξερευνούν το πρωτόνιο σαν να ήταν ένας υποατομικός πλανήτης. Οι χάρτες αποκοπής εμφανίζουν νέες λεπτομέρειες του εσωτερικού του σωματιδίου. Ο πυρήνας του πρωτονίου παρουσιάζει πιέσεις πιο έντονες από οποιαδήποτε άλλη γνωστή μορφή ύλης. Στα μισά του δρόμου προς την επιφάνεια, συγκρουόμενες δίνες δύναμης σπρώχνονται μεταξύ τους. Και ο «πλανήτης» στο σύνολό του είναι μικρότερος από ό,τι είχαν υποδείξει προηγούμενα πειράματα.

Οι πειραματικές έρευνες σηματοδοτούν το επόμενο στάδιο στην αναζήτηση του σωματιδίου που αγκυροβολεί κάθε άτομο και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του κόσμου μας.

«Πραγματικά το βλέπουμε ως το άνοιγμα μιας εντελώς νέας κατεύθυνσης που θα αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε τη θεμελιώδη δομή της ύλης», είπε. Λατίφα Ελουαδρχίρη, ένας φυσικός στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια, ο οποίος συμμετέχει στην προσπάθεια.

Τα πειράματα ρίχνουν κυριολεκτικά ένα νέο φως στο πρωτόνιο. Για δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν χαρτογραφήσει σχολαστικά την ηλεκτρομαγνητική επίδραση του θετικά φορτισμένου σωματιδίου. Αλλά στη νέα έρευνα, οι φυσικοί του Jefferson Lab χαρτογραφούν αντ 'αυτού τη βαρυτική επίδραση του πρωτονίου - δηλαδή, την κατανομή των ενεργειών, των πιέσεων και των τάσεων διάτμησης σε όλο το μήκος, που κάμπτουν το χωροχρονικό ύφασμα μέσα και γύρω από το σωματίδιο. Οι ερευνητές το κάνουν εκμεταλλευόμενοι έναν περίεργο τρόπο με τον οποίο ζεύγη φωτονίων, σωματίδια φωτός, μπορούν να μιμηθούν ένα γκραβιτόν, το υποτιθέμενο σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας. Χτυπώντας το πρωτόνιο με φωτόνια, συμπεραίνουν έμμεσα πώς θα αλληλεπιδράσει η βαρύτητα μαζί του, πραγματοποιώντας ένα όνειρο δεκαετιών για την ανάκριση του πρωτονίου με αυτόν τον εναλλακτικό τρόπο.

«Είναι ένα tour de force», είπε Σεντρίκ Λορσέ, φυσικός στην Ecole Polytechnique στη Γαλλία που δεν ασχολήθηκε με το έργο. "Πειραματικά, είναι εξαιρετικά περίπλοκο." 

Από τα φωτόνια στα γκραβιτόνια

Οι φυσικοί έχουν μάθει ένα τεράστιο ποσό για το πρωτόνιο τα τελευταία 70 χρόνια χτυπώντας το επανειλημμένα με ηλεκτρόνια. Γνωρίζουν ότι το ηλεκτρικό του φορτίο εκτείνεται κατά προσέγγιση 0.8 femtometers, ή τετράδισεκατομμύρια του μέτρου, από το κέντρο του. Γνωρίζουν ότι τα εισερχόμενα ηλεκτρόνια τείνουν να ρίχνουν μια ματιά σε ένα από τα τρία κουάρκ - στοιχειώδη σωματίδια με κλάσματα φορτίου - που βουίζουν μέσα σε αυτό. Παρατήρησαν επίσης τη βαθιά περίεργη συνέπεια της κβαντικής θεωρίας όπου, σε πιο ισχυρές συγκρούσεις, τα ηλεκτρόνια φαίνεται να συναντούν μια αφρισμένη θάλασσα που αποτελείται από πολύ περισσότερα κουάρκ καθώς και γκλουόνια, τους φορείς της λεγόμενης ισχυρής δύναμης, η οποία συγκολλά τα κουάρκ μεταξύ τους.

Όλες αυτές οι πληροφορίες προέρχονται από μια ενιαία διάταξη: Πυροδοτείτε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα πρωτόνιο και τα σωματίδια ανταλλάσσουν ένα μόνο φωτόνιο - τον φορέα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης - και σπρώχνουν το ένα το άλλο μακριά. Αυτή η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση λέει στους φυσικούς πώς τα κουάρκ, ως φορτισμένα αντικείμενα, τείνουν να διατάσσονται. Αλλά υπάρχουν πολλά περισσότερα στο πρωτόνιο από το ηλεκτρικό του φορτίο.

«Πώς κατανέμονται η ύλη και η ενέργεια;» ερωτηθείς Peter Schweitzer, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ. «Δεν ξέρουμε».

Ο Schweitzer έχει περάσει το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του σκεπτόμενος τη βαρυτική πλευρά του πρωτονίου. Συγκεκριμένα, ενδιαφέρεται για μια μήτρα ιδιοτήτων του πρωτονίου που ονομάζεται τανυστής ενέργειας-ορμής. «Ο τανυστής ενέργειας-ορμής γνωρίζει όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για το σωματίδιο», είπε.

Στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία ρίχνει τη βαρυτική έλξη ως αντικείμενα που ακολουθούν καμπύλες στο χωροχρόνο, ο τανυστής ενέργειας-ορμής λέει στον χωροχρόνο πώς να κάμπτεται. Περιγράφει, για παράδειγμα, τη διάταξη της ενέργειας (ή, ισοδύναμα, της μάζας) - την πηγή της μερίδας του λέοντος της συστροφής του χωροχρόνου. Παρακολουθεί επίσης πληροφορίες σχετικά με το πώς κατανέμεται η ορμή, καθώς και πού θα υπάρξει συμπίεση ή διαστολή, η οποία μπορεί επίσης να καμπυλώσει ελαφρά τον χωροχρόνο.

Αν μπορούσαμε να μάθουμε το σχήμα του χωροχρόνου που περιβάλλει ένα πρωτόνιο, Ρωσικά και Αμερικανικη Οι φυσικοί που επεξεργάστηκαν ανεξάρτητα τη δεκαετία του 1960, μπορούσαμε να συμπεράνουμε όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται στον τανυστή ενέργειας-ορμής του. Αυτά περιλαμβάνουν τη μάζα και το σπιν του πρωτονίου, τα οποία είναι ήδη γνωστά, μαζί με τη διάταξη των πιέσεων και των δυνάμεων του πρωτονίου, μια συλλογική ιδιοκτησία που οι φυσικοί αναφέρουν ως «όρος Druck», μετά τη λέξη για την πίεση στα γερμανικά. Αυτός ο όρος είναι «τόσο σημαντικός όσο η μάζα και το σπιν, και κανείς δεν ξέρει τι είναι», είπε ο Schweitzer — αν και αυτό έχει αρχίσει να αλλάζει.

Στη δεκαετία του '60, φαινόταν ότι η μέτρηση του τανυστή ενέργειας-ορμής και ο υπολογισμός του όρου Druck θα απαιτούσε μια βαρυτική εκδοχή του συνηθισμένου πειράματος σκέδασης: πυροδοτείτε ένα τεράστιο σωματίδιο σε ένα πρωτόνιο και αφήνετε τα δύο να ανταλλάσσουν ένα βαρυτόνιο - το υποθετικό σωματίδιο που συνθέτει βαρυτικά κύματα — αντί για φωτόνιο. Αλλά λόγω της ακραίας αδυναμίας της βαρύτητας, οι φυσικοί αναμένουν ότι η σκέδαση βαρυτονίου θα συμβεί 39 τάξεις μεγέθους πιο σπάνια από τη σκέδαση φωτονίων. Τα πειράματα δεν μπορούν να ανιχνεύσουν ένα τόσο αδύναμο αποτέλεσμα.

«Θυμάμαι ότι διάβασα για αυτό όταν ήμουν φοιτητής», είπε Volker Burkert, μέλος της ομάδας Jefferson Lab. Το βασικό ήταν ότι «πιθανότατα δεν θα μπορέσουμε ποτέ να μάθουμε τίποτα για τις μηχανικές ιδιότητες των σωματιδίων».

Βαρύτητα Χωρίς Βαρύτητα

Τα βαρυτικά πειράματα είναι ακόμα αδιανόητα σήμερα. Όμως, έρευνα στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000 από τους φυσικούς Xiangdong Ji και, δουλεύοντας χωριστά, τον αείμνηστο Maxim Polyakov αποκάλυψε a λύση.

Το γενικό σχήμα είναι το εξής. Όταν πυροδοτείτε ελαφρά ένα ηλεκτρόνιο σε ένα πρωτόνιο, συνήθως μεταδίδει ένα φωτόνιο σε ένα από τα κουάρκ και ρίχνει μια ματιά. Αλλά σε λιγότερα από ένα στο δισεκατομμύριο εκδηλώσεις, συμβαίνει κάτι ιδιαίτερο. Το εισερχόμενο ηλεκτρόνιο στέλνει ένα φωτόνιο. Ένα κουάρκ το απορροφά και μετά εκπέμπει ένα άλλο φωτόνιο έναν καρδιακό παλμό αργότερα. Η βασική διαφορά είναι ότι αυτό το σπάνιο συμβάν περιλαμβάνει δύο φωτόνια αντί για ένα — τόσο εισερχόμενα όσο και εξερχόμενα φωτόνια. Οι υπολογισμοί του Ji και του Polyakov έδειξαν ότι εάν οι πειραματιστές μπορούσαν να συλλέξουν το προκύπτον ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο και φωτόνιο, θα μπορούσαν να συμπεράνουν από τις ενέργειες και τις ορμές αυτών των σωματιδίων τι συνέβη με τα δύο φωτόνια. Και αυτό το πείραμα των δύο φωτονίων θα ήταν ουσιαστικά τόσο ενημερωτικό όσο το αδύνατο πείραμα σκέδασης βαρυτονίου.

Πώς θα μπορούσαν δύο φωτόνια να γνωρίζουν κάτι για τη βαρύτητα; Η απάντηση περιλαμβάνει σκληρά μαθηματικά. Αλλά οι φυσικοί προσφέρουν δύο τρόπους σκέψης για το γιατί λειτουργεί το κόλπο.

Τα φωτόνια είναι κυματισμοί στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, οι οποίοι μπορούν να περιγραφούν με ένα μόνο βέλος, ή διάνυσμα, σε κάθε θέση στο διάστημα που υποδεικνύει την τιμή και την κατεύθυνση του πεδίου. Τα γκραβιτόνια θα ήταν κυματισμοί στη γεωμετρία του χωροχρόνου, ένα πιο περίπλοκο πεδίο που αντιπροσωπεύεται από έναν συνδυασμό δύο διανυσμάτων σε κάθε σημείο. Η σύλληψη ενός γκραβιτόν θα έδινε στους φυσικούς δύο διανύσματα πληροφοριών. Εν συντομία, δύο φωτόνια μπορούν να αντιπροσωπεύουν ένα βαριτόνιο, καθώς φέρουν επίσης συλλογικά δύο διανύσματα πληροφοριών.

Μια εναλλακτική ερμηνεία των μαθηματικών έχει ως εξής. Κατά τη στιγμή που μεσολαβεί μεταξύ όταν ένα κουάρκ απορροφά το πρώτο φωτόνιο και όταν εκπέμπει το δεύτερο, το κουάρκ ακολουθεί μια διαδρομή μέσα στο διάστημα. Ανιχνεύοντας αυτό το μονοπάτι, μπορούμε να μάθουμε για ιδιότητες όπως οι πιέσεις και οι δυνάμεις που περιβάλλουν το μονοπάτι.

«Δεν κάνουμε βαρυτικό πείραμα», είπε ο Λορσέ. Αλλά «θα πρέπει να αποκτήσουμε έμμεση πρόσβαση στο πώς ένα πρωτόνιο πρέπει να αλληλεπιδρά με ένα βαριτόνιο». 

Ανιχνευτικός πλανήτης Πρωτόνιο

Οι φυσικοί του Jefferson Lab συνέγραψαν μερικά γεγονότα σκέδασης δύο φωτονίων το 2000. Αυτή η απόδειξη της ιδέας τους παρακίνησε να δημιουργήσουν ένα νέο πείραμα και το 2007, έσπασαν ηλεκτρόνια σε πρωτόνια αρκετές φορές για να συγκεντρώσουν περίπου 500,000 συγκρούσεις που μιμούνται τη βαρυτονία. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων χρειάστηκε άλλη μια δεκαετία.

Από τον δείκτη των ιδιοτήτων κάμψης χωροχρόνου, η ομάδα εξήγαγε τον άπιαστο όρο Druck, δημοσιεύοντας την εκτίμησή τους των εσωτερικών πιέσεων του πρωτονίου μέσα Φύση στο 2018.

Διαπίστωσαν ότι στην καρδιά του πρωτονίου, η ισχυρή δύναμη δημιουργεί πιέσεις αφάνταστης έντασης - 100 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια πασκάλ, ή περίπου 10 φορές την πίεση στην καρδιά ενός αστέρα νετρονίων. Πιο έξω από το κέντρο, η πίεση πέφτει και τελικά στρέφεται προς τα μέσα, όπως πρέπει για να μην διασπαστεί το πρωτόνιο. «Αυτό προκύπτει από το πείραμα», είπε ο Burkert. «Ναι, ένα πρωτόνιο είναι πραγματικά σταθερό». (Αυτό το εύρημα δεν έχει καμία σχέση αν τα πρωτόνια διασπώνται, ωστόσο, η οποία περιλαμβάνει έναν διαφορετικό τύπο αστάθειας που προβλέπεται από ορισμένες κερδοσκοπικές θεωρίες.)

Η ομάδα Jefferson Lab συνέχισε να αναλύει τον όρο Druck. Δημοσίευσαν μια εκτίμηση των δυνάμεων διάτμησης - εσωτερικές δυνάμεις που ωθούνται παράλληλα στην επιφάνεια του πρωτονίου - ως μέρος μιας ανασκόπησης δημοσιεύθηκε τον Δεκέμβριο. Οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι κοντά στον πυρήνα του, το πρωτόνιο βιώνει μια δύναμη συστροφής που εξουδετερώνεται από μια συστροφή προς την άλλη κατεύθυνση πιο κοντά στην επιφάνεια. Αυτές οι μετρήσεις υπογραμμίζουν επίσης τη σταθερότητα του σωματιδίου. Οι ανατροπές ήταν αναμενόμενες με βάση τη θεωρητική εργασία των Schweitzer και Polyakov. «Παρόλα αυτά, το να το βλέπεις να βγαίνει από το πείραμα για πρώτη φορά είναι πραγματικά εκπληκτικό», είπε ο Elouadrhiri.

Τώρα χρησιμοποιούν αυτά τα εργαλεία για να υπολογίσουν το μέγεθος του πρωτονίου με νέο τρόπο. Σε παραδοσιακά πειράματα σκέδασης, οι φυσικοί είχαν παρατηρήσει ότι το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου εκτείνεται περίπου 0.8 femtometers από το κέντρο του (δηλαδή, τα κουάρκ που το αποτελούν βουίζουν σε αυτήν την περιοχή). Αλλά αυτή η «ακτίνα φόρτισης» έχει κάποιες ιδιορρυθμίες. Στην περίπτωση του νετρονίου, για παράδειγμα — το ουδέτερο αντίστοιχο του πρωτονίου, στο οποίο δύο αρνητικά φορτισμένα κουάρκ τείνουν να κρέμονται βαθιά μέσα στο σωματίδιο ενώ ένα θετικά φορτισμένο κουάρκ περνά περισσότερο χρόνο κοντά στην επιφάνεια — η ακτίνα φορτίου εμφανίζεται ως αρνητικός αριθμός . «Δεν σημαίνει ότι το μέγεθος είναι αρνητικό. απλά δεν είναι ένα πιστό μέτρο», είπε ο Schweitzer.

Η νέα προσέγγιση μετρά την περιοχή του χωροχρόνου που καμπυλώνεται σημαντικά από το πρωτόνιο. Σε μια προέκδοση που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, η ομάδα του Jefferson Lab υπολόγισε ότι αυτή η ακτίνα μπορεί να είναι περίπου 25% μικρότερο από την ακτίνα φόρτισης, μόλις 0.6 femtometers.

Τα όρια του Πλανήτη Πρωτονίου

Εννοιολογικά, αυτού του είδους η ανάλυση εξομαλύνει τον θολό χορό των κουάρκ σε ένα συμπαγές, πλανητικό αντικείμενο, με πιέσεις και δυνάμεις που δρουν σε κάθε κομμάτι όγκου. Αυτός ο παγωμένος πλανήτης δεν αντανακλά πλήρως το τραχύ πρωτόνιο σε όλο του το κβαντικό μεγαλείο, αλλά είναι ένα χρήσιμο μοντέλο. «Είναι μια ερμηνεία», είπε ο Schweitzer.

Και οι φυσικοί τονίζουν ότι οι αρχικοί χάρτες είναι πρόχειροι, για μερικούς λόγους.

Πρώτον, η ακριβής μέτρηση του τανυστή ενέργειας-ορμής θα απαιτούσε πολύ υψηλότερες ενέργειες σύγκρουσης από αυτές που μπορεί να παράγει το Jefferson Lab. Η ομάδα έχει εργαστεί σκληρά για να προεκβάλει προσεκτικά τις τάσεις από τις σχετικά χαμηλές ενέργειες στις οποίες μπορούν να έχουν πρόσβαση, αλλά οι φυσικοί παραμένουν αβέβαιοι πόσο ακριβείς είναι αυτές οι παρεκβολές.

Επιπλέον, το πρωτόνιο είναι περισσότερο από τα κουάρκ του. Περιέχει επίσης γκλουόνια, τα οποία τριγυρίζουν με τις δικές τους πιέσεις και δυνάμεις. Το τέχνασμα των δύο φωτονίων δεν μπορεί να ανιχνεύσει τα αποτελέσματα των γκλουονίων. Μια ξεχωριστή ομάδα στο Jefferson Lab χρησιμοποίησε ένα ανάλογο τέχνασμα (που περιλαμβάνει μια αλληλεπίδραση διπλού γκλουονίου) για να δημοσιεύσει έναν προκαταρκτικό βαρυτικό χάρτη αυτών των φαινομένων γλουονίου στο Φύση πέρυσι, αλλά βασίστηκε επίσης σε περιορισμένα δεδομένα χαμηλής ενέργειας.

«Είναι ένα πρώτο βήμα», είπε ο Yoshitaka Hatta, ένας φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, ο οποίος εμπνεύστηκε να ξεκινήσει τη μελέτη του βαρυτικού πρωτονίου μετά την εργασία της ομάδας Jefferson Lab το 2018.

Πιο ευκρινείς βαρυτικοί χάρτες τόσο των κουάρκ του πρωτονίου όσο και των γκλουονίων του μπορεί να έρθουν στη δεκαετία του 2030 όταν ο Επιταχυντής Ιόντων Ηλεκτρονίων, ένα πείραμα που κατασκευάζεται αυτή τη στιγμή στο Μπρούκχαβεν, θα αρχίσει να λειτουργεί.

Στο μεταξύ, οι φυσικοί προχωρούν με ψηφιακά πειράματα. Phiala Shanahan, ένας πυρηνικός και φυσικός σωματιδίων στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, ηγείται μιας ομάδας που υπολογίζει τη συμπεριφορά των κουάρκ και των γκλουονίων ξεκινώντας από τις εξισώσεις της ισχυρής δύναμης. Το 2019, αυτή και οι συνεργάτες της υπολόγισε τις πιέσεις και διατμητικές δυνάμεις, και τον Οκτώβριο, αυτές υπολόγισε την ακτίνα, μεταξύ άλλων ακινήτων. Μέχρι στιγμής, τα ψηφιακά ευρήματά τους έχουν ευθυγραμμιστεί σε μεγάλο βαθμό με τα φυσικά του Jefferson Lab. «Είμαι σίγουρα πολύ ενθουσιασμένος από τη συνέπεια μεταξύ των πρόσφατων πειραματικών αποτελεσμάτων και των δεδομένων μας», είπε ο Shanahan.

Ακόμη και οι θολές ματιές του πρωτονίου που έχουν επιτευχθεί μέχρι στιγμής έχουν αναδιαμορφώσει απαλά την κατανόηση των ερευνητών για το σωματίδιο.

Ορισμένες συνέπειες είναι πρακτικές. Στο CERN, τον ευρωπαϊκό οργανισμό που διευθύνει τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον μεγαλύτερο θρυμματιστή πρωτονίων στον κόσμο, οι φυσικοί είχαν προηγουμένως υποθέσει ότι σε ορισμένες σπάνιες συγκρούσεις, τα κουάρκ θα μπορούσαν να βρίσκονται οπουδήποτε μέσα στα πρωτόνια που συγκρούονται. Αλλά οι χάρτες που εμπνέονται από τη βαρύτητα υποδηλώνουν ότι τα κουάρκ τείνουν να κρέμονται κοντά στο κέντρο σε τέτοιες περιπτώσεις.

«Ήδη τα μοντέλα που χρησιμοποιούν στο CERN έχουν ενημερωθεί», δήλωσε ο Francois-Xavier Girod, ένας φυσικός του Jefferson Lab που εργάστηκε στα πειράματα.

Οι νέοι χάρτες μπορεί επίσης να προσφέρουν καθοδήγηση για την επίλυση ενός από τα βαθύτερα μυστήρια του πρωτονίου: γιατί τα κουάρκ συνδέονται καθόλου με πρωτόνια. Υπάρχει ένα διαισθητικό επιχείρημα ότι επειδή η ισχυρή δύναμη μεταξύ κάθε ζεύγους κουάρκ εντείνεται καθώς απομακρύνονται περισσότερο, σαν μια ελαστική ταινία, τα κουάρκ δεν μπορούν ποτέ να ξεφύγουν από τους συντρόφους τους.

Όμως τα πρωτόνια παράγονται από τα ελαφρύτερα μέλη της οικογένειας των κουάρκ. Και τα ελαφριά κουάρκ μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως μεγάλα κύματα που εκτείνονται πέρα ​​από την επιφάνεια του πρωτονίου. Αυτή η εικόνα υποδηλώνει ότι η δέσμευση του πρωτονίου μπορεί να συμβεί όχι μέσω της εσωτερικής έλξης ελαστικών ζωνών αλλά μέσω κάποιας εξωτερικής αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών των κυματιστών, τραβηγμένων κουάρκ. Ο χάρτης πίεσης δείχνει την έλξη της ισχυρής δύναμης που εκτείνεται μέχρι τα 1.4 femtometers και πέρα, ενισχύοντας το επιχείρημα για τέτοιες εναλλακτικές θεωρίες.

«Δεν είναι μια σαφής απάντηση», είπε ο Girod, «αλλά δείχνει το γεγονός ότι αυτές οι απλές εικόνες με ελαστικές ταινίες δεν σχετίζονται με τα ελαφρά κουάρκ».