Fizikçiler protonu sanki atom altı bir gezegenmiş gibi keşfetmeye başladılar. Kesit haritalar, parçacığın iç kısmının yeni keşfedilen ayrıntılarını gösterir. Protonun çekirdeği, bilinen diğer herhangi bir madde biçiminden daha yoğun basınçlara sahiptir. Yüzeyin yarısında çatışan güç girdapları birbirini itiyor. Ve bir bütün olarak “gezegen” önceki deneylerin önerdiğinden daha küçük.

Deneysel araştırmalar, her atomu bağlayan ve dünyamızın büyük kısmını oluşturan parçacığı anlama arayışındaki bir sonraki aşamayı işaret ediyor.

"Bunu gerçekten maddenin temel yapısına bakış açımızı değiştirecek tamamen yeni bir yön açacak olarak görüyoruz" dedi. Latifa ElouadrhiriBu çabaya katılan, Newport News, Virginia'daki Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'nden bir fizikçi.

Deneyler kelimenin tam anlamıyla protona yeni bir ışık tutuyor. Onlarca yıldır araştırmacılar pozitif yüklü parçacığın elektromanyetik etkisini titizlikle haritalandırdılar. Ancak yeni araştırmada, Jefferson Laboratuvarı fizikçileri bunun yerine protonun yerçekimsel etkisini, yani parçacığın içindeki ve etrafındaki uzay-zaman dokusunu büken enerjilerin, basınçların ve kayma gerilmelerinin dağılımını haritalandırıyorlar. Araştırmacılar bunu, ışık parçacıkları olan foton çiftlerinin, yerçekimi kuvvetini ilettiği varsayılan parçacık olan gravitonu taklit edebildiği tuhaf bir yoldan yararlanarak yapıyorlar. Protona fotonlar göndererek dolaylı olarak yerçekiminin onunla nasıl etkileşime gireceğini anlıyorlar ve protonu bu alternatif yolla sorgulamaya dair onlarca yıllık bir hayali gerçekleştiriyorlar.

"Bu bir güç gösterisi" dedi Cédric LorcéFransa'daki Ecole Polytechnique'den bir fizikçi olan ve bu çalışmaya dahil olmayan. "Deneysel olarak bu son derece karmaşık." 

Fotonlardan Gravitonlara

Fizikçiler son 70 yılda protona defalarca elektron çarparak proton hakkında çok şey öğrendiler. Elektrik yükünün merkezden kabaca 0.8 femtometre veya metrenin katrilyonda biri kadar uzandığını biliyorlar. Gelen elektronların, içinde vızıldayan üç kuarktan (yük kesirli temel parçacıklar) birine göz atma eğiliminde olduklarını biliyorlar. Ayrıca kuantum teorisinin son derece tuhaf sonucunu da gözlemlediler; daha güçlü çarpışmalarda elektronlar köpüklü bir denizle karşılaşmak Kuarkları birbirine yapıştıran sözde güçlü kuvvetin taşıyıcıları olan gluonların yanı sıra çok daha fazla kuarktan oluşur.

Tüm bu bilgiler tek bir düzenekten geliyor: Bir elektronu bir protona ateşlersiniz ve parçacıklar tek bir fotonu (elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı) değiştirir ve birbirlerini iterler. Bu elektromanyetik etkileşim fizikçilere kuarkların yüklü nesneler olarak nasıl kendilerini düzenleme eğiliminde olduklarını anlatır. Ancak protonda elektrik yükünden çok daha fazlası var.

“Madde ve enerji nasıl dağıtılır?” diye sordu Peter SchweitzerConnecticut Üniversitesi'nde teorik fizikçi. "Bilmiyoruz."

Schweitzer kariyerinin çoğunu protonun çekimsel yönünü düşünerek geçirdi. Spesifik olarak, enerji-momentum tensörü adı verilen protonun özelliklerinin matrisiyle ilgileniyor. "Enerji-momentum tensörü parçacık hakkında bilinmesi gereken her şeyi biliyor" dedi.

Albert Einstein'ın kütleçekimsel çekimi uzay-zamandaki eğrileri takip eden nesneler olarak ortaya koyan genel görelilik teorisinde, enerji-momentum tensörü uzay-zamanın nasıl büküleceğini söyler. Örneğin, uzay-zaman bükülmesindeki aslan payının kaynağı olan enerjinin (veya eşdeğer olarak kütlenin) düzenini tanımlar. Aynı zamanda momentumun nasıl dağıldığı ve aynı zamanda uzay-zamanı hafifçe eğebilen sıkıştırma veya genişlemenin nerede olacağı hakkındaki bilgileri de izler.

Bir protonu çevreleyen uzay-zamanın şeklini öğrenebilseydik, Rusça ve Amerikan Fizikçiler 1960'larda bağımsız olarak çalıştıklarından, onun enerji-momentum tensöründe indekslenen tüm özellikleri çıkarabiliyorduk. Bunlar arasında, protonun zaten bilinen kütlesi ve dönüşünün yanı sıra, protonun basınç ve kuvvetlerinin düzeni de yer alıyor; fizikçiler, Almanca'da basınç anlamına gelen kelimeden sonra "Druck terimi" olarak adlandırdıkları kolektif bir özelliğe sahipler. Schweitzer, bu terimin "kütle ve dönüş kadar önemli olduğunu ve bunun ne olduğunu kimsenin bilmediğini" söyledi; ancak bu durum değişmeye başlıyor.

60'larda, enerji-momentum tensörünü ölçmek ve Druck terimini hesaplamak, olağan saçılma deneyinin yerçekimsel bir versiyonunu gerektiriyormuş gibi görünüyordu: Bir protona büyük bir parçacık ateşlersiniz ve ikisinin bir graviton (varsayımsal parçacık) değiştirmesine izin verirsiniz. bu bir fotondan ziyade yerçekimsel dalgaları oluşturur. Ancak yerçekiminin aşırı zayıflığı nedeniyle fizikçiler, graviton saçılımının foton saçılımından 39 kat daha nadir meydana gelmesini bekliyorlar. Deneylerin bu kadar zayıf bir etkiyi tespit etmesi mümkün değildir.

"Öğrenciyken bunu okuduğumu hatırlıyorum" dedi Volker BurkertJefferson Lab ekibinin bir üyesi. Çıkarılan sonuç şuydu: "Parçacıkların mekanik özellikleri hakkında muhtemelen hiçbir zaman hiçbir şey öğrenemeyeceğiz."

Yerçekimi Olmadan Yerçekimi

Yerçekimi deneyleri bugün hala hayal edilemez. Ancak 1990'ların sonu ve 2000'lerin başında fizikçi Xiangdong Ji ve ayrı ayrı çalışan merhum Maxim Polyakov tarafından yapılan araştırmalar ortaya a geçici çözüm.

Genel şema aşağıdaki gibidir. Bir elektronu bir protona hafifçe ateşlediğinizde, genellikle kuarklardan birine bir foton gönderir ve gözlerini kaçırır. Ancak milyarda birden az olayda özel bir şey olur. Gelen elektron bir foton gönderir. Bir kuark onu emer ve bir kalp atımı sonra başka bir foton yayar. Temel fark, bu nadir olayın bir yerine iki foton içermesidir; hem gelen hem de giden fotonlar. Ji ve Polyakov'un hesaplamaları, eğer deneyciler sonuçta ortaya çıkan elektron, proton ve fotonu toplayabilirlerse, bu parçacıkların enerjilerinden ve momentumlarından iki fotona ne olduğu sonucunu çıkarabileceklerini gösterdi. Ve bu iki fotonlu deney, aslında imkânsız olan graviton saçılımı deneyi kadar bilgilendirici olacaktır.

İki foton yerçekimi hakkında nasıl bir şey bilebilir? Cevap budaklı bir matematik içeriyor. Ancak fizikçiler bu numaranın neden işe yaradığına dair iki düşünce yolu sunuyorlar.

Fotonlar, elektromanyetik alandaki dalgalardır ve uzaydaki her konumda alanın değerini ve yönünü gösteren tek bir ok veya vektör ile tanımlanabilmektedir. Gravitonlar, her noktada iki vektörün birleşimiyle temsil edilen daha karmaşık bir alan olan uzay-zaman geometrisindeki dalgalanmalar olabilir. Bir gravitonu yakalamak fizikçilere iki bilgi vektörü verecektir. Bunun dışında, iki foton bir gravitonun yerine geçebilir, çünkü bunlar aynı zamanda kolektif olarak iki bilgi vektörünü de taşırlar.

Matematiğin alternatif bir yorumu şu şekildedir. Bir kuarkın ilk fotonu soğurması ile ikinci fotonu yayması arasında geçen süre boyunca kuark uzayda bir yol izler. Bu yolu inceleyerek yolu çevreleyen basınçlar ve kuvvetler gibi özellikler hakkında bilgi edinebiliriz.

Lorcé, "Yerçekimi deneyi yapmıyoruz" dedi. Ancak "bir protonun bir gravitonla nasıl etkileşime girmesi gerektiğine dolaylı erişim elde etmeliyiz." 

Proton Gezegeni İnceleniyor

Jefferson Laboratuvarı fizikçileri 2000 yılında birkaç iki foton saçılım olayını bir araya topladılar. Kavramın bu kanıtı onları yeni bir deney yapmaya motive etti ve 2007'de, yaklaşık 500,000 gravitonu taklit eden çarpışmayı biriktirmeye yetecek kadar elektronları protonlara çarptılar. Deneysel verilerin analizi bir on yıl daha sürdü.

Ekip, uzay-zamanı bükme özellikleri indeksinden bulunması zor Druck terimini çıkardı ve yayınladı: onların tahmini Protonun iç basınçları Tabiat 2018 içinde.

Protonun kalbindeki güçlü kuvvetin, hayal edilemeyecek yoğunlukta basınçlar ürettiğini buldular; 100 milyar trilyon trilyon paskal, yani bir nötron yıldızının kalbindeki basıncın yaklaşık 10 katı. Merkezden uzaklaştıkça basınç düşer ve sonunda protonun parçalanmaması için olması gerektiği gibi içe doğru döner. Burkert, "Bu deneyden ortaya çıktı" dedi. “Evet, bir proton aslında kararlıdır.” (Bu bulgunun konuyla hiçbir ilgisi yoktur. protonların bozunup bozunmadığıancak bu, bazı spekülatif teorilerin öngördüğü farklı türde bir istikrarsızlığı içerir.)

Jefferson Lab grubu Druck terimini analiz etmeye devam etti. İncelemenin bir parçası olarak, kesme kuvvetlerinin (protonun yüzeyine paralel itilen iç kuvvetler) bir tahminini yayınladılar. Aralık ayında yayınlandı. Fizikçiler, protonun çekirdeğine yakın bir yerde bir bükülme kuvvetine maruz kaldığını ve bu kuvvetin yüzeye daha yakın olan diğer yöndeki bir bükülme ile nötralize edildiğini buldu. Bu ölçümler aynı zamanda parçacığın stabilitesinin de altını çiziyor. Schweitzer ve Polyakov'un teorik çalışmalarına dayanarak bu değişiklikler bekleniyordu. Elouadrhiri, "Yine de deneyde bunun ilk kez ortaya çıkmasına tanık olmak gerçekten hayret verici" dedi.

Şimdi bu araçları protonun boyutunu yeni bir yöntemle hesaplamak için kullanıyorlar. Geleneksel saçılma deneylerinde fizikçiler, parçacığın elektrik yükünün merkezden yaklaşık 0.8 femtometre uzağa uzandığını gözlemlemişlerdi (yani onu oluşturan kuarklar o bölgede vızıldayıp duruyor). Ancak bu "yük yarıçapının" bazı tuhaflıkları var. Örneğin nötron örneğinde (protonun nötr karşılığı, iki negatif yüklü kuark parçacığın derinliklerinde asılı kalırken pozitif yüklü bir kuark yüzeye yakın olarak daha fazla zaman geçirir), yük yarıçapı negatif bir sayı olarak ortaya çıkar. . “Bu, boyutun negatif olduğu anlamına gelmiyor; Bu doğru bir ölçü değil” dedi Schweitzer.

Yeni yaklaşım, proton tarafından önemli ölçüde kıvrılan uzay-zaman bölgesini ölçüyor. Henüz hakem incelemesinden geçmemiş bir ön baskıda Jefferson Lab ekibi bu yarıçapın olabileceğini hesapladı. yaklaşık %25 daha küçük yük yarıçapından sadece 0.6 femtometre.

Proton Gezegeninin Sınırları

Kavramsal olarak bu tür bir analiz, kuarkların bulanık dansını, her hacim zerresine etki eden basınç ve kuvvetlerle katı, gezegen benzeri bir nesneye dönüştürür. Bu donmuş gezegen, gürültülü protonu tüm kuantum ihtişamıyla tam olarak yansıtmıyor, ancak kullanışlı bir model. Schweitzer, "Bu bir yorum" dedi.

Ve fizikçiler birkaç nedenden dolayı ilk haritaların kaba olduğunu vurguluyor.

Birincisi, enerji-momentum tensörünün hassas bir şekilde ölçülmesi, Jefferson Laboratuvarı'nın üretebileceğinden çok daha yüksek çarpışma enerjileri gerektirecektir. Ekip, erişebilecekleri nispeten düşük enerjilerden eğilimleri dikkatli bir şekilde tahmin etmek için çok çalıştı, ancak fizikçiler bu tahminlerin ne kadar doğru olduğundan emin değiller.

Üstelik proton, kuarklarından daha fazlasıdır; aynı zamanda kendi basınçları ve kuvvetleriyle etrafa saçılan gluonları da içerir. İki fotonlu hile, gluonların etkilerini tespit edemiyor. Jefferson Laboratuvarı'ndaki ayrı bir ekip, bu gluon etkilerinin ön kütlesel çekim haritasını yayınlamak için (çift gluon etkileşimini içeren) benzer bir yöntem kullandı. Tabiat geçen seneancak bu da sınırlı, düşük enerjili verilere dayanıyordu.

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndan fizikçi Yoshitaka Hatta, Jefferson Lab grubunun 2018'deki çalışmasının ardından yerçekimsel protonu incelemeye başlamak için ilham kaynağı olan "Bu bir ilk adım" dedi.

Hem protonun kuarklarının hem de gluonlarının daha keskin yerçekimsel haritaları, şu anda Brookhaven'da yapım aşamasında olan bir deney olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısı'nın 2030'larda faaliyete geçmesiyle ortaya çıkabilir.

Bu arada fizikçiler dijital deneylerle ilerlemeye devam ediyor. Phiala ShanahanMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde nükleer ve parçacık fizikçisi olan Dr., güçlü kuvvet denklemlerinden yola çıkarak kuarkların ve gluonların davranışlarını hesaplayan bir ekibe liderlik ediyor. 2019 yılında kendisi ve işbirlikçileri baskıları tahmin etti ve kesme kuvvetleri ve Ekim ayında, bunlar yarıçapı tahmin ettidiğer özelliklerin yanı sıra. Şu ana kadar dijital bulguları Jefferson Lab'ın fiziksel bulgularıyla büyük ölçüde uyumlu hale geldi. Shanahan, "Son deneysel sonuçlarla verilerimiz arasındaki tutarlılık beni kesinlikle oldukça heyecanlandırıyor" dedi.

Şu ana kadar elde edilen protonun bulanık görüntüleri bile araştırmacıların parçacık hakkındaki anlayışını nazikçe yeniden şekillendirdi.

Bazı sonuçlar pratiktir. Dünyanın en büyük proton parçalayıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısını çalıştıran Avrupa kuruluşu CERN'de fizikçiler daha önce bazı nadir çarpışmalarda kuarkların çarpışan protonların herhangi bir yerinde olabileceğini varsaymışlardı. Ancak kütleçekimden ilham alan haritalar, bu gibi durumlarda kuarkların merkeze yakın bir yerde asılı kalma eğiliminde olduklarını gösteriyor.

Deneylerde çalışan Jefferson Laboratuvarı fizikçisi Francois-Xavier Girod, "CERN'de kullandıkları modeller zaten güncellendi" dedi.

Yeni haritalar aynı zamanda protonun en derin gizemlerinden birinin çözümüne yönelik de rehberlik sunabilir: Kuarklar neden kendilerini protonlara bağlar? Her bir kuark çifti arasındaki güçlü kuvvet, elastik bir bant gibi birbirlerinden uzaklaştıkça yoğunlaştığından, kuarkların yoldaşlarından asla kaçamayacağına dair sezgisel bir argüman var.

Ancak protonlar kuark ailesinin en hafif üyelerinden oluşur. Hafif kuarklar, proton yüzeyinin ötesine uzanan uzun dalgalar olarak da düşünülebilir. Bu resim, protonun bağlanmasının, elastik bantların iç çekilmesi yoluyla değil, bu dalgalı, uzatılmış kuarklar arasındaki bazı dış etkileşimler yoluyla meydana gelebileceğini göstermektedir. Basınç haritası, 1.4 femtometre ve ötesine kadar uzanan güçlü kuvvetin çekiciliğini gösteriyor ve bu tür alternatif teorilere yönelik argümanları güçlendiriyor.

Girod, "Bu kesin bir cevap değil" dedi, "ancak elastik bantlara sahip bu basit görüntülerin hafif kuarklarla alakalı olmadığı gerçeğine işaret ediyor."