物理学者は、陽子を亜原子惑星であるかのように調査し始めました。断面図マップには、粒子の内部の新たに発見された詳細が表示されます。陽子の核は、他の既知の物質よりも強い圧力を特徴としています。地表の途中で、衝突する力の渦が互いに押し合います。そして、「惑星」は全体として、これまでの実験が示唆していたよりも小さい。

実験的研究は、すべての原子を固定し、私たちの世界の大部分を構成する粒子を理解する探求の次の段階を示しています。

「私たちはこれが、物質の基本的な構造に対する私たちの見方を変える、全く新しい方向性を開くものだと本当に考えています」と述べた。 ラティファ・エルアドリリバージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の物理学者で、この取り組みに携わっている。

この実験は文字通り陽子に新たな光を当てます。研究者たちは何十年にもわたって、正に帯電した粒子の電磁的影響を綿密に計画してきました。しかし、新しい研究では、ジェファーソン研究所の物理学者たちは代わりに、陽子の重力の影響、つまり粒子内および粒子の周囲の時空構造を曲げるエネルギー、圧力、せん断応力の分布をマッピングしている。研究者らは、光の粒子である光子のペアが、重力を伝える仮説上の粒子である重力子を模倣できる独特の方法を利用してこれを実現している。陽子に光子を送信することで、重力が陽子とどのように相互作用するかを間接的に推測し、この別の方法で陽子を調べるという数十年来の夢を実現しました。

「これは最高のパフォーマンスだ」と彼は言った セドリック・ロルセ、フランスのエコール・ポリテクニックの物理学者であったが、この研究には関与していなかった。 「実験的には非常に複雑です。」 

光子から重力子へ

物理学者は過去 70 年間にわたり、陽子に電子を繰り返し衝突させることで、陽子について膨大な量のことを学びました。彼らは、その電荷が中心からおよそ0.8フェムトメートル、つまりXNUMX億分のXNUMXメートル広がっていることを知っています。彼らは、入ってくる電子が、内部を飛び回る XNUMX つのクォーク (電荷の一部を持つ素粒子) のうちの XNUMX つをかすめる傾向があることを知っています。彼らはまた、より強力な衝突では電子が 泡立った海に遭遇 はるかに多くのクォークと、クォークを接着するいわゆる強い力の伝達者であるグルーオンで構成されています。

この情報はすべて、単一の設定から得られます。陽子に電子を発射すると、粒子は電磁力の伝達物質である単一の光子を交換し、互いに押しのけます。この電磁相互作用は、荷電物体としてのクォークがどのように配置される傾向があるかを物理学者に伝えます。しかし、陽子には電荷以外にも多くのことがあります。

「物質とエネルギーはどのように分配されるのですか?」尋ねた ピーター・シュバイツァー、コネチカット大学の理論物理学者。 「私たちには分かりません。」

シュバイツァーはキャリアのほとんどを陽子の重力側について考えることに費やしてきました。具体的には、エネルギー運動量テンソルと呼ばれる陽子の特性の行列に興味を持っています。 「エネルギー運動量テンソルは、粒子について知るべきことをすべて知っています」と彼は言いました。

アルバート・アインシュタインの一般相対性理論では、時空の曲線をたどる物体として重力の引力が働くとされ、エネルギー運動量テンソルが時空にどのように曲がるかを指示します。たとえば、時空のねじれの大部分を占めるエネルギー (または同等の質量) の配置について説明します。また、運動量がどのように分布するか、またどこで圧縮または膨張が起こるかについての情報も追跡し、時空を軽く湾曲させることもできます。

陽子の周りの時空の形を知ることができたら、 ロシア語 & アメリカ 物理学者たちが 1960 年代に独自に研究したところ、エネルギー - 運動量テンソルでインデックス付けされたすべての特性を推測することができました。これらには、陽子の質量とスピンが含まれており、陽子の圧力と力の配置とともに、ドイツ語で圧力を意味する言葉にちなんで「ドラック用語」と物理学者が呼ぶ集合的な特性が含まれます。この用語は「質量や回転と同じくらい重要だが、それが何であるかは誰も知らない」とシュバイツァー氏は語ったが、それは変わり始めている。

60 年代には、エネルギー運動量テンソルの測定とドラック項の計算には、通常の散乱実験の重力バージョンが必要であるかのように見えました。陽子に向かって大質量粒子を発射し、その 39 つが重力子 (仮想粒子) を交換します。それは光子ではなく重力波を構成します。しかし、重力は非常に弱いため、物理学者は、重力子散乱は光子散乱よりも XNUMX 桁も発生頻度が低いと予想しています。実験ではそのような弱い効果を検出することはできません。

「学生の頃にこれについて読んだことを覚えています」と彼は言いました フォルカー・ブルケルト、ジェファーソン研究所チームのメンバー。結論は、「粒子の機械的特性についてはおそらく何も学ぶことができないだろう」ということでした。

重力のない重力

重力実験は今日ではまだ想像できません。しかし、1990年代後半から2000年代初頭にかけて、物理学者のXiangdong Jiと、別々に研究していた故Maxim Polyakovによる研究が行われた。 明らかになった a 回避策.

一般的なスキームは次のとおりです。陽子に向かって電子を軽く発射すると、通常、電子はクォークの 1 つに光子を送り、一瞥します。しかし、10 億回に 1 回にも満たない頻度で、何か特別なことが起こります。入ってくる電子は光子を送り込みます。クォークはそれを吸収し、心拍数後に別の光子を放出します。主な違いは、このまれなイベントには 1 つではなく 2 つの光子 (入ってくる光子と出ていく光子の両方) が含まれることです。 Ji と Polyakov の計算は、実験者が結果として生じる電子、陽子、光子を収集できれば、これらの粒子のエネルギーと運動量から 2 つの光子で何が起こったかを推測できることを示しました。そして、その二光子実験は、本質的には不可能な重力子散乱実験と同じくらい有益であるだろう。

2 つの光子が重力について何かを知ることができるのはなぜでしょうか?答えには厄介な数学が含まれます。しかし、物理学者は、なぜこのトリックが機能するのかについて 2 つの考え方を提案しています。

光子は電磁場の波紋であり、空間内の各位置で場の値と方向を示す単一の矢印またはベクトルで表すことができます。重力子は、時空の幾何学構造における波紋であり、あらゆる点における 2 つのベクトルの組み合わせによって表されるより複雑な場です。重力子を捕捉すると、物理学者は 2 つの情報ベクトルを得ることができます。それ以外では、2 つの光子は集合的に 2 つの情報ベクトルも運ぶので、2 つの光子が重力子の代わりになることもあります。

この数学の別の解釈は次のようになります。クォークが最初の光子を吸収してから 2 番目の光子を放出するまでの間に、クォークは空間を通る経路をたどります。このパスを調査することで、パスを囲む圧力や力などの特性を知ることができます。

「私たちは重力実験をしているわけではありません」とロルセ氏は語った。しかし、「陽子が重力子とどのように相互作用するかについて間接的にアクセスできるようにする必要があります。」 

惑星プロトンを探る

ジェファーソン研究所の物理学者たちは、2000 年にいくつかの 2007 光子散乱現象を収集しました。この概念実証が彼らに新しい実験を構築する動機を与え、500,000 年には、約 XNUMX 回の重力子を模倣した衝突を蓄積するのに十分な回数、電子を陽子に衝突させました。実験データの分析にはさらにXNUMX年かかりました。

研究チームは、時空を曲げる特性のインデックスから、とらえどころのないドラック用語を抽出し、 彼らの見積もり 陽子の内部圧力の 自然 2018インチ

彼らは、陽子の中心部では、強い力によって想像を絶する強度の圧力が発生することを発見しました。その圧力は 100 億兆パスカル、つまり中性子星の中心部の圧力の約 10 倍です。中心から離れると、陽子が爆発しないように圧力が低下し、最終的には内側に向きます。 「これは実験から出たものです」とバーカート氏は語った。 「はい、陽子は実は安定なんです。」 (この発見は、 陽子が崩壊するかどうかただし、これにはいくつかの推測理論によって予測される別の種類の不安定性が含まれます。)

Jefferson Lab グループは Druck 用語の分析を続けました。彼らは、レビューの一環として、せん断力（陽子の表面に平行に押す内部力）の推定値を発表した。 XNUMX月に出版された。物理学者らは、陽子はその核に近いところでねじれ力を受け、表面近くでは反対方向のねじれによって中和されることを発見した。これらの測定により、粒子の安定性も強調されます。この展開は、シュバイツァーとポリアコフの理論的研究に基づいて予想されていました。 「それにもかかわらず、実験からそれが出現するのを初めて目撃したのは本当に驚くべきことです」とエルアドリ氏は語った。

現在、彼らはこれらのツールを使用して、新しい方法で陽子のサイズを計算しています。従来の散乱実験では、物理学者は粒子の電荷がその中心から約0.8フェムトメートルの範囲に広がっていることを観察していました（つまり、粒子を構成するクォークがその領域で飛び回っています）。しかし、その「充電範囲」にはいくつかの癖があります。たとえば、中性子の場合、陽子の中性の対応物であり、XNUMXつの負に帯電したクォークが粒子の内部深くにたむろする傾向があり、XNUMXつの正に帯電したクォークが表面近くでより多くの時間を費やす傾向があり、電荷半径は負の数として表されます。 。 「それはサイズがマイナスであるという意味ではありません。ただ、それは忠実な尺度ではありません」とシュバイツァー氏は語った。

新しいアプローチは、陽子によって大きく曲がった時空の領域を測定します。まだ査読されていないプレプリントで、ジェファーソン研究所チームは、この半径は次のように計算しました。 約25%小型化 充電半径よりわずか0.6フェムトメートルです。

惑星陽子の限界

概念的には、この種の分析は、体積の各点に圧力と力が作用する、クォークのぼやけたダンスを滑らかにして、固体の惑星のような物体にします。その凍った惑星は、騒々しい陽子の量子の栄光を完全に反映しているわけではありませんが、有用なモデルです。 「それは解釈です」とシュバイツァー氏は語った。

そして物理学者らは、いくつかの理由から初期の地図は荒いものであると強調している。

まず、エネルギー運動量テンソルを正確に測定するには、ジェファーソン研究所が生成できるよりもはるかに高い衝突エネルギーが必要になります。研究チームは、アクセスできる比較的低いエネルギーから傾向を注意深く外挿することに懸命に取り組んできたが、物理学者らはこれらの外挿がどの程度正確であるかについては依然として不明である。

さらに、陽子はクォーク以上のものです。また、独自の圧力と力で動き回るグルーオンも含まれています。 2 光子のトリックではグルーオンの効果を検出できません。ジェファーソン研究所の別のチームは、同様のトリック (二重グルーオン相互作用を含む) を使用して、これらのグルーオン効果の予備的な重力マップを 自然 昨年、しかしそれも限られた低エネルギーのデータに基づいていました。

「これは第一歩です」と、ジェファーソン研究所グループの2018年の研究の後、重力陽子の研究を始めるきっかけとなったブルックヘブン国立研究所の物理学者、八田吉隆氏は語った。

陽子のクォークとそのグルーオンの両方のより鮮明な重力マップは、ブルックヘブンで現在建設中の電子イオン衝突型加速器が運用を開始する2030年代に実現される可能性がある。

その一方で、物理学者たちはデジタル実験を進めている。 フィアラシャナハンマサチューセッツ工科大学の核・素粒子物理学者である彼は、強い力の方程式からクォークとグルーオンの挙動を計算するチームを率いています。 2019年、彼女とその協力者たちは 圧力を推定した そしてせん断力が加わり、10月には、 半径を推定したなどのプロパティがあります。これまでのところ、彼らのデジタル的な発見は、ジェファーソン研究所の物理的な発見とほぼ一致しています。 「最近の実験結果と私たちのデータとの一貫性には確かに非常に興奮しています」とシャナハン氏は語った。

これまでに得られた陽子のぼやけた一瞥さえも、粒子に対する研究者の理解を緩やかに再形成してきた。

いくつかの結果は現実的です。世界最大の陽子粉砕機である大型ハドロン衝突型加速器を運営するヨーロッパの組織であるCERNでは、物理学者たちはこれまで、特定のまれな衝突では、衝突する陽子の内部のどこかにクォークが存在する可能性があると想定していた。しかし、重力からインスピレーションを得た地図は、そのような場合にはクォークが中心近くにたむろする傾向があることを示唆している。

「CERNで使用されているモデルはすでに更新されています」と、実験に携わったジェファーソン研究所の物理学者フランソワ・ザビエル・ジロ氏は語った。

新しいマップは、陽子の最も深い謎の 1 つである、そもそもなぜクォークが陽子に結合するのかを解決するための指針も提供する可能性があります。クォークの各ペア間の強い力は、弾性バンドのように離れるにつれて強まるため、クォークは仲間から決して逃げることができないという直感的な議論があります。

しかし、陽子はクォーク族の中で最も軽いメンバーから作られます。そして、軽量のクォークは、陽子の表面を越えて伸びる長い波と考えることもできます。この図は、陽子の結合が弾性バンドの内部の引っ張りによってではなく、これらの波状に引き伸ばされたクォーク間の何らかの外部相互作用によって生じる可能性があることを示唆しています。圧力マップは、1.4 フェムトメートル以上にまで広がる強い力の引力を示しており、そのような代替理論の議論を強化しています。

「これは明確な答えではありませんが、弾性バンドを備えたこれらの単純な画像は軽いクォークには関係がないという事実を示しています。」とジロド氏は述べた。