Fysiker har börjat utforska protonen som om den vore en subatomär planet. Utskurna kartor visar nyfunna detaljer om partikelns inre. Protonens kärna har tryck som är mer intensiva än i någon annan känd form av materia. Halvvägs till ytan trycker sammanstötande kraftvirvlar mot varandra. Och "planeten" som helhet är mindre än tidigare experiment hade föreslagit.

De experimentella undersökningarna markerar nästa steg i strävan att förstå partikeln som förankrar varje atom och utgör huvuddelen av vår värld.

"Vi ser det verkligen som att öppna en helt ny riktning som kommer att förändra vårt sätt att se på materiens grundläggande struktur," sa Latifa Elouadrhiri, en fysiker vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Virginia, som är involverad i ansträngningen.

Experimenten lyser bokstavligen ett nytt ljus på protonen. Under decennier har forskare noggrant kartlagt den elektromagnetiska påverkan av den positivt laddade partikeln. Men i den nya forskningen kartlägger Jefferson Lab-fysikerna istället protonens gravitationsinflytande - nämligen fördelningen av energier, tryck och skjuvspänningar genomgående, vilket böjer rum-tidsväven i och runt partikeln. Forskarna gör det genom att utnyttja ett märkligt sätt på vilket par av fotoner, ljuspartiklar, kan imitera en graviton, den hypotes partikel som förmedlar tyngdkraften. Genom att pinga protonen med fotoner drar de indirekt slutledning om hur gravitationen skulle interagera med den, och förverkligade en decennier gammal dröm om att förhöra protonen på detta alternativa sätt.

"Det är en tour de force," sa Cédric Lorcé, en fysiker vid Ecole Polytechnique i Frankrike som inte var involverad i arbetet. "Experimentellt är det extremt komplicerat." 

Från fotoner till gravitoner

Fysiker har lärt sig oerhört mycket om protonen under de senaste 70 åren genom att upprepade gånger träffa den med elektroner. De vet att dess elektriska laddning sträcker sig ungefär 0.8 femtometer, eller kvadrilliondelar av en meter, från dess centrum. De vet att inkommande elektroner tenderar att titta på en av tre kvarkar - elementarpartiklar med bråkdelar av laddning - som surrar inuti den. De har också observerat den djupt märkliga konsekvensen av kvantteorin, där elektroner vid mer kraftfulla kollisioner tycks möta ett skummande hav består av långt fler kvarkar samt gluoner, bärarna av den så kallade starka kraften, som limmar ihop kvarkarna.

All denna information kommer från en enda uppsättning: Du avfyrar en elektron mot en proton, och partiklarna utbyter en enda foton - bäraren av den elektromagnetiska kraften - och trycker bort varandra. Denna elektromagnetiska interaktion berättar för fysiker hur kvarkar, som laddade föremål, tenderar att ordna sig. Men det finns mycket mer i protonen än dess elektriska laddning.

"Hur fördelas materia och energi?" frågade Peter Schweitzer, en teoretisk fysiker vid University of Connecticut. "Vi vet inte."

Schweitzer har tillbringat större delen av sin karriär med att tänka på protonens gravitationssida. Specifikt är han intresserad av en matris av egenskaper hos protonen som kallas energimomentumtensor. "Energimomentum-tensoren vet allt som finns att veta om partikeln," sa han.

I Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som visar gravitationsattraktion som objekt som följer kurvor i rum-tid, talar energimomentum-tensorn om för rum-tid hur man ska böja sig. Den beskriver, till exempel, arrangemanget av energi (eller, motsvarande, massa) - källan till lejonparten av rum-tid vridning. Den spårar också information om hur momentum fördelas, samt var det kommer att ske kompression eller expansion, vilket också kan kröka rum-tid lätt.

Om vi ​​kunde lära oss formen av rum-tiden som omger en proton, ryska och amerikan fysiker som självständigt arbetade fram på 1960-talet kunde vi sluta oss till alla egenskaper indexerade i dess energimomentumtensor. Dessa inkluderar protonens massa och spin, som redan är kända, tillsammans med arrangemanget av protonens tryck och krafter, en kollektiv egenskap som fysiker kallar "Druck-termen", efter ordet för tryck på tyska. Denna term är "lika viktig som massa och spinn, och ingen vet vad det är," sa Schweitzer - även om det börjar förändras.

På 60-talet verkade det som om mätning av energimoment-tensorn och beräkning av Druck-termen skulle kräva en gravitationsversion av det vanliga spridningsexperimentet: du skjuter en massiv partikel mot en proton och låter de två byta ut en graviton - den hypotetiska partikeln som utgör gravitationsvågor - snarare än en foton. Men på grund av gravitationens extrema svaghet förväntar sig fysiker att gravitonspridning sker 39 storleksordningar mer sällan än fotonspridning. Experiment kan omöjligt upptäcka en så svag effekt.

"Jag minns att jag läste om det här när jag var student," sa Volker Burkert, en medlem av Jefferson Lab-teamet. Takeaway var att "vi förmodligen aldrig kommer att kunna lära oss något om mekaniska egenskaper hos partiklar."

Gravity Utan Gravity

Gravitationsexperiment är fortfarande ofattbart idag. Men forskning i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet av fysikerna Xiangdong Ji och, som arbetar separat, den bortgångne Maxim Polyakov avslöjade a jobba runt.

Det allmänna schemat är följande. När du skjuter en elektron lätt mot en proton, levererar den vanligtvis en foton till en av kvarkarna och tittar bort. Men i färre än en av en miljard händelser händer något speciellt. Den inkommande elektronen skickar in en foton. En kvark absorberar den och avger sedan en annan foton ett hjärtslag senare. Den viktigaste skillnaden är att denna sällsynta händelse involverar två fotoner istället för en - både inkommande och utgående fotoner. Jis och Polyakovs beräkningar visade att om experimentalister kunde samla in den resulterande elektronen, protonen och fotonen, kunde de dra slutsatser från dessa partiklars energier och rörelsemängder vad som hände med de två fotonerna. Och det två-fotonexperimentet skulle i princip vara lika informativt som det omöjliga gravitonspridningsexperimentet.

Hur kunde två fotoner veta något om gravitation? Svaret involverar knotig matematik. Men fysiker erbjuder två sätt att tänka på varför tricket fungerar.

Fotoner är krusningar i det elektromagnetiska fältet, som kan beskrivas med en enda pil, eller vektor, på varje plats i rymden som indikerar fältets värde och riktning. Gravitoner skulle vara krusningar i rum-tidens geometri, ett mer komplicerat fält representerat av en kombination av två vektorer vid varje punkt. Att fånga en graviton skulle ge fysiker två vektorer av information. Kort om det kan två fotoner stå för en graviton, eftersom de också tillsammans bär två vektorer av information.

En alternativ tolkning av matematiken går som följer. Under det ögonblick som går mellan när en kvark absorberar den första fotonen och när den sänder ut den andra, följer kvarken en väg genom rymden. Genom att sondera denna väg kan vi lära oss om egenskaper som trycket och krafterna som omger vägen.

"Vi gör inte ett gravitationsexperiment," sa Lorcé. Men "vi borde få indirekt tillgång till hur en proton ska interagera med en graviton." 

Undersöka Planet Proton

Jefferson Lab-fysikerna skrapade ihop några tvåfotonspridningshändelser år 2000. Detta bevis på konceptet motiverade dem att bygga ett nytt experiment, och 2007 krossade de elektroner till protoner tillräckligt många gånger för att samla ihop ungefär 500,000 XNUMX gravitonliknande kollisioner. Att analysera experimentdata tog ytterligare ett decennium.

Från deras index över rum-tid-böjningsegenskaper extraherade teamet den svårfångade Druck-termen och publicerade deras uppskattning av protonens inre tryck in Natur i 2018.

De fann att i hjärtat av protonen genererar den starka kraften tryck av ofattbar intensitet - 100 miljarder biljoner biljoner pascal, eller ungefär 10 gånger trycket i hjärtat av en neutronstjärna. Längre ut från centrum sjunker trycket och vänder sig så småningom inåt, eftersom det måste för att protonen inte ska blåsa isär sig själv. "Detta kommer ut ur experimentet," sa Burkert. "Ja, en proton är faktiskt stabil." (Detta fynd har ingen betydelse om protoner sönderfaller, men som involverar en annan typ av instabilitet som förutsägs av vissa spekulativa teorier.)

Jefferson Lab-gruppen fortsatte att analysera Druck-termen. De släppte en uppskattning av skjuvkrafterna - inre krafter som trycker parallellt med protonens yta - som en del av en granskning publicerades i december. Fysikerna fann att nära sin kärna upplever protonen en vridningskraft som neutraliseras av en vridning i andra riktningen närmare ytan. Dessa mätningar understryker också partikelns stabilitet. Vändningarna hade förväntats baserat på teoretiskt arbete från Schweitzer och Polyakov. "Ändå är det verkligen häpnadsväckande att bevittna det som kommer fram ur experimentet för första gången," sa Elouadrhiri.

Nu använder de dessa verktyg för att beräkna protonens storlek på ett nytt sätt. I traditionella spridningsexperiment hade fysiker observerat att partikelns elektriska laddning sträcker sig cirka 0.8 femtometer från dess centrum (det vill säga, dess beståndsdelar kvarkar surrar omkring i den regionen). Men den där "laddningsradien" har några egenheter. När det gäller neutronen, till exempel - protonens neutrala motsvarighet, där två negativt laddade kvarkar tenderar att hänga djupt inne i partikeln medan en positivt laddad kvark tillbringar mer tid nära ytan - kommer laddningsradien ut som ett negativt tal . "Det betyder inte att storleken är negativ; det är bara inte ett troget mått, säger Schweitzer.

Det nya tillvägagångssättet mäter området av rum-tid som är avsevärt krökt av protonen. I ett förtryck som ännu inte har granskats av fackmän, beräknade Jefferson Lab-teamet att denna radie kan vara cirka 25 % mindre än laddningsradien, bara 0.6 femtometer.

Planet Protons gränser

Begreppsmässigt jämnar denna typ av analys ut kvarkarnas suddiga dans till ett fast, planetliknande föremål, med tryck och krafter som verkar på varje volymfläck. Den frusna planeten återspeglar inte helt den häftiga protonen i all sin kvanthärlighet, men det är en användbar modell. "Det är en tolkning," sa Schweitzer.

Och fysiker betonar att de första kartorna är grova, av några anledningar.

För det första skulle exakt mätning av energi-momentum-tensorn kräva mycket högre kollisionsenergier än vad Jefferson Lab kan producera. Teamet har arbetat hårt för att noggrant extrapolera trender från de relativt låga energierna de kan komma åt, men fysiker är fortfarande osäkra på hur exakta dessa extrapolationer är.

Dessutom är protonen mer än sina kvarkar; den innehåller också gluoner, som skvalpar runt med sina egna tryck och krafter. Tvåfotontricket kan inte upptäcka gluonernas effekter. Ett separat team vid Jefferson Lab använde ett analogt trick (som involverade en dubbel-gluon-interaktion) för att publicera en preliminär gravitationskarta över dessa gluoneffekter i Natur förra året, men den var också baserad på begränsade lågenergidata.

"Det är ett första steg", sa Yoshitaka Hatta, en fysiker vid Brookhaven National Laboratory som inspirerades att börja studera gravitationsprotonen efter Jefferson Lab-gruppens arbete 2018.

Skarpare gravitationskartor över både protonens kvarkar och dess gluoner kan komma på 2030-talet när Electron-Ion Collider, ett experiment som för närvarande är under uppbyggnad i Brookhaven, kommer att börja arbeta.

Under tiden driver fysiker framåt med digitala experiment. Phala Shanahan, en kärn- och partikelfysiker vid Massachusetts Institute of Technology, leder ett team som beräknar beteendet hos kvarkar och gluoner med utgångspunkt från ekvationerna för den starka kraften. 2019, hon och hennes medarbetare uppskattade trycken och skjuvkrafter, och i oktober, de uppskattade radienbland andra fastigheter. Hittills har deras digitala fynd i stort sett överensstämt med Jefferson Labs fysiska. "Jag är verkligen ganska upphetsad över överensstämmelsen mellan de senaste experimentella resultaten och våra data," sa Shanahan.

Även de suddiga glimtarna av protonen som hittills uppnåtts har försiktigt omformat forskarnas förståelse av partikeln.

Vissa konsekvenser är praktiska. Vid CERN, den europeiska organisationen som driver Large Hadron Collider, världens största protonkrossare, hade fysiker tidigare antagit att kvarkar vid vissa sällsynta kollisioner kunde finnas var som helst inom de kolliderande protonerna. Men de gravitationsinspirerade kartorna tyder på att kvarkar tenderar att hänga nära centrum i sådana fall.

"Redan har modellerna de använder på CERN uppdaterats", säger Francois-Xavier Girod, en Jefferson Lab-fysiker som arbetade med experimenten.

De nya kartorna kan också ge vägledning för att lösa ett av protonens djupaste mysterier: varför kvarkar överhuvudtaget binder sig till protoner. Det finns ett intuitivt argument att eftersom den starka kraften mellan varje par av kvarkar intensifieras när de kommer längre ifrån varandra, som ett elastiskt band, kan kvarkar aldrig fly från sina kamrater.

Men protoner är gjorda av de lättaste medlemmarna av kvarkfamiljen. Och lätta kvarkar kan också ses som långa vågor som sträcker sig bortom protonens yta. Denna bild antyder att bindningen av protonen inte kan komma till stånd genom inre dragning av elastiska band utan genom en viss yttre interaktion mellan dessa vågiga, utdragna kvarkar. Tryckkartan visar attraktionen av den starka kraften som sträcker sig hela vägen ut till 1.4 femtometer och längre, vilket stärker argumentet för sådana alternativa teorier.

"Det är inte ett definitivt svar," sa Girod, "men det pekar mot det faktum att dessa enkla bilder med elastiska band inte är relevanta för lätta kvarkar."