Natuurkundigen zijn begonnen het proton te onderzoeken alsof het een subatomaire planeet is. Opengewerkte kaarten tonen nieuwe details van het interieur van het deeltje. De kern van het proton vertoont een druk die intenser is dan bij welke andere bekende vorm van materie dan ook. Halverwege het oppervlak duwen botsende krachtwervelingen tegen elkaar. En de ‘planeet’ als geheel is kleiner dan eerdere experimenten hadden gesuggereerd.

De experimentele onderzoeken markeren de volgende fase in de zoektocht naar het begrijpen van het deeltje dat elk atoom verankert en het grootste deel van onze wereld uitmaakt.

“We zien het echt als het openen van een compleet nieuwe richting die onze manier van kijken naar de fundamentele structuur van de materie zal veranderen,” zei hij Latifa Elouadrhiri, een natuurkundige bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, die bij de inspanning betrokken is.

De experimenten werpen letterlijk een nieuw licht op het proton. Tientallen jaren lang hebben onderzoekers de elektromagnetische invloed van het positief geladen deeltje minutieus in kaart gebracht. Maar in het nieuwe onderzoek brengen de natuurkundigen van het Jefferson Lab in plaats daarvan de zwaartekrachtinvloed van het proton in kaart - namelijk de verdeling van energieën, drukken en schuifspanningen overal doorheen, die het ruimte-tijdweefsel in en rond het deeltje buigen. De onderzoekers doen dit door gebruik te maken van een bijzondere manier waarop paren fotonen, lichtdeeltjes, een graviton kunnen imiteren, het veronderstelde deeltje dat de zwaartekracht overbrengt. Door het proton te pingen met fotonen, leiden ze indirect af hoe de zwaartekracht ermee zou interageren, waardoor ze een decennia oude droom verwezenlijken om het proton op deze alternatieve manier te ondervragen.

“Het is een hoogstandje”, zei hij Cedric Lorcé, een natuurkundige aan de Ecole Polytechnique in Frankrijk die niet bij het werk betrokken was. “Experimenteel gezien is het extreem ingewikkeld.” 

Van fotonen tot gravitonen

Natuurkundigen hebben de afgelopen zeventig jaar enorm veel over het proton geleerd door er herhaaldelijk elektronen op te slaan. Ze weten dat de elektrische lading zich ruwweg 70 femtometers, oftewel biljardsten van een meter, vanaf het midden uitstrekt. Ze weten dat binnenkomende elektronen de neiging hebben om af te schijnen op een van de drie quarks – elementaire deeltjes met fracties van lading – die daarin rondzoemen. Ze hebben ook de uiterst vreemde consequentie van de kwantumtheorie waargenomen, waarbij bij krachtiger botsingen elektronen verschijnen een schuimige zee tegenkomen uit veel meer quarks en uit gluonen, de dragers van de zogenaamde sterke kracht, die de quarks aan elkaar lijmt.

Al deze informatie komt uit één enkele opstelling: je vuurt een elektron af op een proton, en de deeltjes wisselen een enkel foton uit – de drager van de elektromagnetische kracht – en duwen elkaar weg. Deze elektromagnetische interactie vertelt natuurkundigen hoe quarks, als geladen objecten, de neiging hebben zichzelf te ordenen. Maar het proton omvat veel meer dan zijn elektrische lading.

“Hoe worden materie en energie gedistribueerd?” vroeg Peter Schweitzer, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Connecticut. “Wij weten het niet.”

Schweitzer heeft het grootste deel van zijn carrière nagedacht over de zwaartekrachtkant van het proton. Specifiek is hij geïnteresseerd in een matrix van eigenschappen van het proton, de energie-impulstensor. “De energie-impulstensor weet alles wat er over het deeltje te weten valt,” zei hij.

In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, waarin de aantrekkingskracht van de zwaartekracht wordt weergegeven als objecten die krommen in de ruimte-tijd volgen, vertelt de energie-impulstensor de ruimte-tijd hoe ze moeten buigen. Het beschrijft bijvoorbeeld de rangschikking van energie (of, gelijkwaardig, massa) – de bron van het leeuwendeel van de ruimte-tijd-draaiingen. Het houdt ook informatie bij over hoe het momentum wordt verdeeld, en waar er compressie of expansie zal plaatsvinden, wat ook de ruimte-tijd licht kan krommen.

Als we de vorm van ruimte-tijd rondom een ​​proton zouden kunnen leren, Russian en Amerikaans natuurkundigen die in de jaren zestig onafhankelijk van elkaar hebben uitgewerkt, konden we alle eigenschappen afleiden die zijn geïndexeerd in de energie-impulstensor. Daartoe behoren de massa en rotatie van het proton, die al bekend zijn, samen met de rangschikking van de drukken en krachten van het proton, een collectieve eigenschap die natuurkundigen de 'Druck-term' noemen, naar het woord voor druk in het Duits. Deze term is “net zo belangrijk als massa en spin, en niemand weet wat het is”, zei Schweitzer – hoewel dat begint te veranderen.

In de jaren zestig leek het alsof het meten van de energie-impulstensor en het berekenen van de Druck-term een ​​zwaartekrachtversie van het gebruikelijke verstrooiingsexperiment zou vereisen: je vuurt een massief deeltje af op een proton en laat de twee een graviton uitwisselen – het hypothetische deeltje. waaruit zwaartekrachtgolven bestaan ​​– in plaats van een foton. Maar vanwege de extreme zwakte van de zwaartekracht verwachten natuurkundigen dat gravitonverstrooiing 60 ordes van grootte zeldzamer zal voorkomen dan fotonverstrooiing. Experimenten kunnen onmogelijk zo'n zwak effect detecteren.

‘Ik herinner me dat ik hierover las toen ik nog student was’, zegt hij Volker Burkert, een lid van het Jefferson Lab-team. De conclusie was dat “we waarschijnlijk nooit iets zullen kunnen leren over de mechanische eigenschappen van deeltjes.”

Zwaartekracht zonder zwaartekracht

Zwaartekrachtexperimenten zijn vandaag de dag nog steeds ondenkbaar. Maar onderzoek eind jaren negentig en begin jaren 1990 door de natuurkundigen Xiangdong Ji en, afzonderlijk van elkaar werkend, wijlen Maxim Polyakov onthuld a tijdelijke oplossing.

Het algemene schema is als volgt. Wanneer je een elektron lichtjes op een proton afvuurt, levert het gewoonlijk een foton af aan een van de quarks en kijkt het weg. Maar bij minder dan één op de miljard gebeurtenissen gebeurt er iets bijzonders. Het binnenkomende elektron zendt een foton in. Een quark absorbeert het en zendt een hartslag later een ander foton uit. Het belangrijkste verschil is dat bij deze zeldzame gebeurtenis twee fotonen betrokken zijn in plaats van één: zowel inkomende als uitgaande fotonen. De berekeningen van Ji en Polyakov lieten zien dat als experimentatoren het resulterende elektron, proton en foton konden verzamelen, ze uit de energieën en impulsen van deze deeltjes konden afleiden wat er met de twee fotonen gebeurde. En dat experiment met twee fotonen zou in wezen net zo informatief zijn als het onmogelijke gravitonverstrooiingsexperiment.

Hoe kunnen twee fotonen iets weten over de zwaartekracht? Het antwoord omvat ingewikkelde wiskunde. Maar natuurkundigen bieden twee manieren om na te denken over waarom de truc werkt.

Fotonen zijn rimpelingen in het elektromagnetische veld, die kunnen worden beschreven door een enkele pijl of vector op elke locatie in de ruimte, die de waarde en richting van het veld aangeeft. Gravitonen zouden rimpelingen zijn in de geometrie van de ruimte-tijd, een ingewikkelder veld dat wordt weergegeven door een combinatie van twee vectoren op elk punt. Het vastleggen van een graviton zou natuurkundigen twee informatievectoren opleveren. Daarnaast kunnen twee fotonen een graviton vervangen, omdat ze gezamenlijk ook twee informatievectoren dragen.

Een alternatieve interpretatie van de wiskunde gaat als volgt. Gedurende het moment dat verstrijkt tussen het moment waarop een quark het eerste foton absorbeert en het tweede uitzendt, volgt de quark een pad door de ruimte. Door dit pad te onderzoeken, kunnen we meer te weten komen over eigenschappen zoals de druk en krachten die het pad omringen.

“We doen geen zwaartekrachtexperiment”, zei Lorcé. Maar “we zouden indirect toegang moeten krijgen tot de manier waarop een proton met een graviton zou moeten interageren.” 

Planeet Proton onderzoeken

De natuurkundigen van het Jefferson Lab hebben in 2000 een aantal twee-fotonverstrooiingsgebeurtenissen bij elkaar geschraapt. Dat proof-of-concept motiveerde hen om een ​​nieuw experiment te bouwen, en in 2007 sloegen ze elektronen voldoende vaak in protonen om ongeveer 500,000 graviton-nabootsende botsingen te vergaren. Het analyseren van de experimentele gegevens duurde nog eens tien jaar.

Uit hun index van ruimte-tijd-buigende eigenschappen heeft het team de ongrijpbare Druck-term gehaald, gepubliceerd hun schatting van de interne druk van het proton NATUUR in 2018.

Ze ontdekten dat de sterke kracht in het hart van het proton een druk genereert van onvoorstelbare intensiteit: 100 miljard biljoen biljoen pascal, of ongeveer tien keer de druk in het hart van een neutronenster. Verder weg van het centrum neemt de druk af en keert uiteindelijk naar binnen, omdat het proton zichzelf niet uit elkaar moet blazen. "Dit komt uit het experiment," zei Burkert. “Ja, een proton is eigenlijk stabiel.” (Deze bevinding heeft geen invloed op of protonen vervallen(waarbij echter een ander soort instabiliteit betrokken is, voorspeld door sommige speculatieve theorieën.)

De Jefferson Lab-groep ging door met het analyseren van de Druck-term. Ze hebben een schatting vrijgegeven van de schuifkrachten – interne krachten die parallel aan het oppervlak van het proton duwen – als onderdeel van een evaluatie gepubliceerd in december. De natuurkundigen ontdekten dat het proton dicht bij zijn kern een draaiende kracht ervaart die wordt geneutraliseerd door een draaiing in de andere richting dichter bij het oppervlak. Deze metingen onderstrepen ook de stabiliteit van het deeltje. De wendingen waren verwacht op basis van theoretisch werk van Schweitzer en Polyakov. “Desalniettemin is het werkelijk verbazingwekkend om te zien hoe het voor de eerste keer uit het experiment naar voren komt,” zei Elouadrhiri.

Nu gebruiken ze deze hulpmiddelen om de grootte van het proton op een nieuwe manier te berekenen. In traditionele verstrooiingsexperimenten hadden natuurkundigen waargenomen dat de elektrische lading van het deeltje zich ongeveer 0.8 femtometers vanaf het centrum uitstrekt (dat wil zeggen dat de samenstellende quarks in dat gebied rondzoemen). Maar die ‘laadradius’ heeft enkele eigenaardigheden. In het geval van het neutron bijvoorbeeld – de neutrale tegenhanger van het proton, waarin twee negatief geladen quarks de neiging hebben diep in het deeltje rond te hangen, terwijl één positief geladen quark meer tijd dichtbij het oppervlak doorbrengt – komt de ladingsstraal uit als een negatief getal. . “Het betekent niet dat de omvang negatief is; het is gewoon geen betrouwbare maatstaf”, zei Schweitzer.

De nieuwe aanpak meet het gebied van de ruimte-tijd dat aanzienlijk gekromd is door het proton. In een preprint die nog niet door vakgenoten is beoordeeld, heeft het Jefferson Lab-team berekend dat deze straal mogelijk wel zo is ongeveer 25% kleiner dan de ladingsradius, slechts 0.6 femtometers.

De grenzen van planeet Proton

Conceptueel egaliseert dit soort analyse de wazige dans van quarks tot een solide, planeetachtig object, waarbij druk en krachten op elk volumedeeltje inwerken. Die bevroren planeet weerspiegelt het rauwe proton niet volledig in al zijn kwantumglorie, maar het is een bruikbaar model. “Het is een interpretatie,” zei Schweitzer.

En natuurkundigen benadrukken dat de oorspronkelijke kaarten om een ​​aantal redenen ruw zijn.

Ten eerste zou het nauwkeurig meten van de energie-impulstensor veel hogere botsingsenergieën vereisen dan Jefferson Lab kan produceren. Het team heeft hard gewerkt om trends zorgvuldig te extrapoleren op basis van de relatief lage energieën waartoe ze toegang hebben, maar natuurkundigen blijven er onzeker over hoe nauwkeurig deze extrapolaties zijn.

Bovendien is het proton meer dan zijn quarks; het bevat ook gluonen, die rondslingeren onder hun eigen druk en krachten. De twee-fotonentruc kan de effecten van gluonen niet detecteren. Een apart team van Jefferson Lab gebruikte een analoge truc (waarbij een dubbele gluon-interactie betrokken was) om een ​​voorlopige zwaartekrachtkaart van deze gluon-effecten te publiceren. NATUUR afgelopen jaar, maar ook deze was gebaseerd op beperkte, energiezuinige gegevens.

“Het is een eerste stap”, zegt Yoshitaka Hatta, een natuurkundige van het Brookhaven National Laboratory, die geïnspireerd werd om het zwaartekrachtproton te gaan bestuderen na het werk van de Jefferson Lab-groep in 2018.

Scherpere zwaartekrachtkaarten van zowel de quarks als de gluonen van het proton komen mogelijk in de jaren 2030, wanneer de Electron-Ion Collider, een experiment dat momenteel in Brookhaven in aanbouw is, operationeel zal worden.

Intussen gaan natuurkundigen door met digitale experimenten. Phiala Shanahan, een kern- en deeltjesfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology, leidt een team dat het gedrag van quarks en gluonen berekent, uitgaande van de vergelijkingen van de sterke kracht. In 2019 zij en haar medewerkers schatte de druk in en schuifkrachten, en in oktober ook zij schatte de straal, onder andere eigendommen. Tot nu toe komen hun digitale bevindingen grotendeels overeen met de fysieke bevindingen van Jefferson Lab. "Ik ben zeker behoorlijk enthousiast over de consistentie tussen recente experimentele resultaten en onze gegevens", zei Shanahan.

Zelfs de vage glimpen van het proton die tot nu toe zijn bereikt, hebben het begrip van onderzoekers over het deeltje voorzichtig veranderd.

Sommige gevolgen zijn praktisch. Bij CERN, de Europese organisatie die de Large Hadron Collider beheert, 's werelds grootste protonenbreker, hadden natuurkundigen eerder aangenomen dat quarks zich bij bepaalde zeldzame botsingen overal binnen de botsende protonen konden bevinden. Maar de door de zwaartekracht geïnspireerde kaarten suggereren dat quarks in dergelijke gevallen de neiging hebben om in de buurt van het centrum rond te hangen.

“De modellen die ze bij CERN gebruiken zijn al bijgewerkt”, zegt Francois-Xavier Girod, een natuurkundige uit het Jefferson Lab die aan de experimenten werkte.

De nieuwe kaarten kunnen ook begeleiding bieden bij het oplossen van een van de diepste mysteries van het proton: waarom quarks zich überhaupt aan protonen binden. Er is een intuïtief argument dat, omdat de sterke kracht tussen elk paar quarks toeneemt naarmate ze verder uit elkaar komen, zoals een elastische band, quarks nooit aan hun kameraden kunnen ontsnappen.

Maar protonen worden gemaakt van de lichtste leden van de quarkfamilie. En lichtgewicht quarks kunnen ook worden gezien als lange golven die zich voorbij het oppervlak van het proton uitstrekken. Dit beeld suggereert dat de binding van het proton niet tot stand kan komen door het intern trekken van elastische banden, maar door een externe interactie tussen deze golvende, uitgerekte quarks. De drukkaart toont de aantrekkingskracht van de sterke kracht die zich helemaal uitstrekt tot 1.4 femtometers en verder, wat het argument voor dergelijke alternatieve theorieën versterkt.

“Het is geen definitief antwoord,” zei Girod, “maar het wijst erop dat deze eenvoudige afbeeldingen met elastische banden niet relevant zijn voor lichte quarks.”