Fysikere har begynt å utforske protonet som om det var en subatomær planet. Cutaway-kart viser nyfunne detaljer om partikkelens indre. Protonets kjerne har press som er mer intenst enn i noen annen kjent form for materie. Halvveis til overflaten presser sammenstøtende kraftvirvler mot hverandre. Og "planeten" som helhet er mindre enn tidligere eksperimenter hadde antydet.

De eksperimentelle undersøkelsene markerer neste trinn i søken etter å forstå partikkelen som forankrer hvert atom og utgjør hoveddelen av vår verden.

"Vi ser det virkelig som å åpne en helt ny retning som vil endre vår måte å se på materiens grunnleggende struktur," sa Latifa Elouadrhiri, en fysiker ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Virginia, som er involvert i innsatsen.

Eksperimentene skinner bokstavelig talt et nytt lys på protonet. Gjennom flere tiår har forskere omhyggelig kartlagt den elektromagnetiske påvirkningen til den positivt ladede partikkelen. Men i den nye forskningen kartlegger Jefferson Lab-fysikere i stedet protonets gravitasjonspåvirkning - nemlig fordelingen av energier, trykk og skjærspenninger gjennom, som bøyer rom-tidsstoffet i og rundt partikkelen. Forskerne gjør det ved å utnytte en særegen måte der par av fotoner, lyspartikler, kan imitere en graviton, den antatte partikkelen som formidler tyngdekraften. Ved å pinge protonet med fotoner, utleder de indirekte hvordan tyngdekraften ville samhandle med det, og realiserer en flere tiår gammel drøm om å forhøre protonet på denne alternative måten.

"Det er en tour de force," sa Cédric Lorcé, en fysiker ved Ecole Polytechnique i Frankrike som ikke var involvert i arbeidet. "Eksperimentelt er det ekstremt komplisert." 

Fra fotoner til gravitoner

Fysikere har lært enormt mye om protonet de siste 70 årene ved gjentatte ganger å treffe det med elektroner. De vet at dens elektriske ladning strekker seg omtrent 0.8 femtometer, eller kvadrilliondeler av en meter, fra midten. De vet at innkommende elektroner har en tendens til å se på en av tre kvarker - elementærpartikler med brøkdeler av ladning - som surrer rundt inne i den. De har også observert den dypt merkelige konsekvensen av kvanteteori der, i kraftigere kollisjoner, ser det ut til at elektroner møte et skummende hav består av langt flere kvarker samt gluoner, bærerne av den såkalte sterke kraften, som limer kvarkene sammen.

All denne informasjonen kommer fra et enkelt oppsett: Du skyter et elektron mot et proton, og partiklene utveksler et enkelt foton - bæreren av den elektromagnetiske kraften - og skyver hverandre bort. Denne elektromagnetiske interaksjonen forteller fysikere hvordan kvarker, som ladede objekter, har en tendens til å ordne seg. Men det er mye mer med protonet enn dets elektriske ladning.

"Hvordan er materie og energi fordelt?" spurte Peter Schweitzer, en teoretisk fysiker ved University of Connecticut. "Vi vet ikke."

Schweitzer har brukt mesteparten av sin karriere på å tenke på gravitasjonssiden av protonet. Spesifikt er han interessert i en matrise av egenskaper til protonet kalt energimomentum-tensoren. "Energi-momentum-tensoren vet alt det er å vite om partikkelen," sa han.

I Albert Einsteins teori om generell relativitet, som kaster gravitasjonsattraksjon som objekter som følger kurver i rom-tid, forteller energi-momentum-tensoren rom-tid hvordan de skal bøye seg. Den beskriver for eksempel arrangementet av energi (eller tilsvarende masse) - kilden til brorparten av rom-tid-vridning. Den sporer også informasjon om hvordan momentum er fordelt, så vel som hvor det vil være komprimering eller utvidelse, som også kan kurere rom-tid lett.

Hvis vi kunne lære formen til romtiden rundt et proton, Russisk og amerikansk fysikere uavhengig utarbeidet på 1960-tallet, kunne vi utlede alle egenskapene indeksert i dens energi-momentum-tensor. Disse inkluderer protonets masse og spinn, som allerede er kjent, sammen med arrangementet av protonets trykk og krefter, en kollektiv egenskap som fysikere refererer til som "Druck-begrepet", etter ordet for trykk på tysk. Dette begrepet er "like viktig som masse og spinn, og ingen vet hva det er," sa Schweitzer - selv om det begynner å endre seg.

På 60-tallet virket det som om måling av energi-momentum-tensoren og beregning av Druck-begrepet ville kreve en gravitasjonsversjon av det vanlige spredningseksperimentet: Du skyter en massiv partikkel mot et proton og lar de to bytte ut en graviton - den hypotetiske partikkelen som utgjør gravitasjonsbølger - i stedet for et foton. Men på grunn av tyngdekraftens ekstreme svakhet, forventer fysikere at gravitonspredning vil forekomme 39 størrelsesordener mer sjelden enn fotonspredning. Eksperimenter kan umulig oppdage en så svak effekt.

"Jeg husker at jeg leste om dette da jeg var student," sa Volker Burkert, medlem av Jefferson Lab-teamet. Takeaway var at "vi sannsynligvis aldri vil kunne lære noe om mekaniske egenskaper til partikler."

Gravity Uten Gravity

Gravitasjonseksperimenter er fortsatt utenkelige i dag. Men forskning på slutten av 1990-tallet og begynnelsen av 2000-tallet av fysikerne Xiangdong Ji og, som arbeider hver for seg, avdøde Maxim Polyakov avslørt a løsning.

Den generelle ordningen er som følger. Når du skyter et elektron lett mot et proton, leverer det vanligvis et foton til en av kvarkene og ser bort. Men i færre enn én av en milliard hendelser skjer det noe spesielt. Det innkommende elektronet sender inn et foton. En kvark absorberer den og sender ut et annet foton et hjerteslag senere. Hovedforskjellen er at denne sjeldne hendelsen involverer to fotoner i stedet for én - både innkommende og utgående fotoner. Jis og Polyakovs beregninger viste at hvis eksperimentalister kunne samle det resulterende elektronet, protonet og fotonet, kunne de utlede fra energiene og momentumene til disse partiklene hva som skjedde med de to fotonene. Og det to-foton-eksperimentet ville i hovedsak være like informativt som det umulige graviton-spredningseksperimentet.

Hvordan kunne to fotoner vite noe om tyngdekraften? Svaret involverer kjedelig matematikk. Men fysikere tilbyr to måter å tenke på hvorfor trikset fungerer.

Fotoner er krusninger i det elektromagnetiske feltet, som kan beskrives med en enkelt pil, eller vektor, på hvert sted i rommet som indikerer feltets verdi og retning. Gravitoner ville være krusninger i geometrien til rom-tid, et mer komplisert felt representert av en kombinasjon av to vektorer på hvert punkt. Å fange en graviton ville gi fysikere to vektorer med informasjon. Kort av det kan to fotoner stå for en graviton, siden de også til sammen bærer to vektorer med informasjon.

En alternativ tolkning av regnestykket går som følger. I det øyeblikket som går mellom når en kvark absorberer det første fotonet og når det sender ut det andre, følger kvarken en bane gjennom rommet. Ved å sondere denne banen kan vi lære om egenskaper som trykket og kreftene som omgir banen.

"Vi gjør ikke et gravitasjonseksperiment," sa Lorcé. Men "vi bør få indirekte tilgang til hvordan et proton skal samhandle med en graviton." 

Undersøker planetprotonet

Jefferson Lab-fysikerne skrapet sammen noen få to-fotonspredningshendelser i 2000. Dette konseptet motiverte dem til å bygge et nytt eksperiment, og i 2007 knuste de elektroner til protoner nok ganger til å samle omtrent 500,000 XNUMX graviton-liknende kollisjoner. Det tok ytterligere ti år å analysere de eksperimentelle dataene.

Fra deres indeks over rom-tid-bøyende egenskaper, hentet teamet det unnvikende Druck-begrepet, og publiserte deres anslag av protonets indre trykk inn Natur i 2018.

De fant at i hjertet av protonet genererer den sterke kraften trykk av ufattelig intensitet - 100 milliarder billioner billioner pascal, eller omtrent 10 ganger trykket i hjertet av en nøytronstjerne. Lenger ut fra sentrum faller trykket og snur seg til slutt innover, da det må for at protonet ikke skal blåse seg selv fra hverandre. "Dette kommer ut av eksperimentet," sa Burkert. "Ja, et proton er faktisk stabilt." (Dette funnet har ingen betydning om protoner forfaller, men som involverer en annen type ustabilitet forutsagt av noen spekulative teorier.)

Jefferson Lab-gruppen fortsatte å analysere Druck-begrepet. De ga ut et estimat av skjærkreftene - indre krefter som skyver parallelt med protonets overflate - som en del av en gjennomgang publisert i desember. Fysikerne fant at nær kjernen opplever protonet en vridningskraft som blir nøytralisert ved en vridning i den andre retningen nærmere overflaten. Disse målingene understreker også partikkelens stabilitet. Vriene var forventet basert på teoretisk arbeid fra Schweitzer og Polyakov. "Ikke desto mindre er det virkelig forbløffende å være vitne til at det dukker opp fra eksperimentet for første gang," sa Elouadrhiri.

Nå bruker de disse verktøyene til å beregne protonstørrelsen på en ny måte. I tradisjonelle spredningsforsøk hadde fysikere observert at partikkelens elektriske ladning strekker seg omtrent 0.8 femtometer fra sentrum (det vil si at kvarkene som består av den surrer rundt i den regionen). Men den "ladingsradiusen" har noen særheter. Når det gjelder nøytronet, for eksempel - protonets nøytrale motstykke, der to negativt ladede kvarker har en tendens til å henge dypt inne i partikkelen mens en positivt ladet kvark tilbringer mer tid nær overflaten - kommer ladningsradiusen ut som et negativt tall . «Det betyr ikke at størrelsen er negativ; det er bare ikke et trofast mål,” sa Schweitzer.

Den nye tilnærmingen måler området av rom-tid som er betydelig buet av protonet. I et forhåndstrykk som ennå ikke er fagfellevurdert, beregnet Jefferson Lab-teamet at denne radiusen kan være ca 25 % mindre enn ladningsradius, bare 0.6 femtometer.

Planet Protons grenser

Konseptuelt jevner denne typen analyse ut den uskarpe dansen av kvarker til et solid, planetlignende objekt, med trykk og krefter som virker på hver flekk av volum. Den frosne planeten reflekterer ikke fullt ut det hese protonet i all sin kvanteherlighet, men det er en nyttig modell. "Det er en tolkning," sa Schweitzer.

Og fysikere understreker at de første kartene er grove, av flere grunner.

For det første vil nøyaktig måling av energi-momentum-tensoren kreve mye høyere kollisjonsenergier enn Jefferson Lab kan produsere. Teamet har jobbet hardt for å nøye ekstrapolere trender fra de relativt lave energiene de har tilgang til, men fysikere er fortsatt usikre på hvor nøyaktige disse ekstrapoleringene er.

Dessuten er protonet mer enn dets kvarker; den inneholder også gluoner, som skvulper rundt med sine egne press og krefter. To-foton-trikset kan ikke oppdage gluoners effekter. Et eget team ved Jefferson Lab brukte et analogt triks (som involverer en dobbel-gluon-interaksjon) for å publisere et foreløpig gravitasjonskart over disse gluon-effektene i Natur fjor, men også den var basert på begrensede lavenergidata.

"Det er et første skritt," sa Yoshitaka Hatta, en fysiker ved Brookhaven National Laboratory som ble inspirert til å begynne å studere gravitasjonsprotonet etter Jefferson Lab-gruppens arbeid i 2018.

Skarpere gravitasjonskart av både protonets kvarker og dets gluoner kan komme i 2030-årene når Electron-Ion Collider, et eksperiment som for tiden er under bygging i Brookhaven, vil starte driften.

I mellomtiden driver fysikere videre med digitale eksperimenter. Phala Shanahan, en kjernefysiker og partikkelfysiker ved Massachusetts Institute of Technology, leder et team som beregner oppførselen til kvarker og gluoner med utgangspunkt i ligningene til den sterke kraften. I 2019, hun og hennes samarbeidspartnere estimerte presset og skjærkrefter, og i oktober, de estimerte radiusenblant andre eiendommer. Så langt har deres digitale funn stort sett vært på linje med Jefferson Labs fysiske. "Jeg er absolutt ganske begeistret for konsistensen mellom nylige eksperimentelle resultater og dataene våre," sa Shanahan.

Selv de uskarpe glimtene av protonet som er oppnådd så langt har forsiktig omformet forskernes forståelse av partikkelen.

Noen konsekvenser er praktiske. Ved CERN, den europeiske organisasjonen som driver Large Hadron Collider, verdens største protonknuser, hadde fysikere tidligere antatt at i visse sjeldne kollisjoner kunne kvarker være hvor som helst innenfor de kolliderende protonene. Men de gravitasjonsinspirerte kartene antyder at kvarker har en tendens til å henge nær sentrum i slike tilfeller.

"Allerede modellene de bruker ved CERN har blitt oppdatert," sa Francois-Xavier Girod, en Jefferson Lab-fysiker som jobbet med eksperimentene.

De nye kartene kan også gi veiledning for å løse et av protonets dypeste mysterier: hvorfor kvarker i det hele tatt binder seg til protoner. Det er et intuitivt argument om at fordi den sterke kraften mellom hvert par kvarker forsterkes etter hvert som de kommer lenger fra hverandre, som et strikk, kan kvarker aldri rømme fra kameratene.

Men protoner er laget av de letteste medlemmene av kvarkfamilien. Og lette kvarker kan også betraktes som lange bølger som strekker seg utover protonets overflate. Dette bildet antyder at bindingen av protonet kan skje ikke gjennom den indre trekkingen av elastiske bånd, men gjennom en ekstern interaksjon mellom disse bølgete, utstrakte kvarkene. Trykkkartet viser tiltrekningen av den sterke kraften som strekker seg helt ut til 1.4 femtometer og utover, og styrker argumentet for slike alternative teorier.

"Det er ikke et bestemt svar," sa Girod, "men det peker mot det faktum at disse enkle bildene med elastiske bånd ikke er relevante for lette kvarker."