Các nhà vật lý đã bắt đầu khám phá proton như thể nó là một hành tinh hạ nguyên tử. Bản đồ cắt rời hiển thị các chi tiết mới tìm thấy bên trong hạt. Lõi của proton có áp suất mạnh hơn bất kỳ dạng vật chất nào khác được biết đến. Lên được nửa đường, các luồng lực va chạm nhau đẩy nhau. Và “hành tinh” nói chung nhỏ hơn so với những gì các thí nghiệm trước đây đã đề xuất.

Các cuộc điều tra thử nghiệm đánh dấu giai đoạn tiếp theo trong nỗ lực tìm hiểu hạt neo giữ mọi nguyên tử và tạo nên phần lớn thế giới của chúng ta.

“Chúng tôi thực sự coi nó như mở ra một hướng hoàn toàn mới sẽ thay đổi cách nhìn của chúng ta về cấu trúc cơ bản của vật chất,” cho biết. Latifa Elouadrhiri, một nhà vật lý tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News, Virginia, người tham gia vào nỗ lực này.

Các thí nghiệm thực sự đã chiếu một ánh sáng mới lên proton. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã vạch ra một cách tỉ mỉ ảnh hưởng điện từ của hạt tích điện dương. Nhưng trong nghiên cứu mới, thay vào đó, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Jefferson đang lập bản đồ ảnh hưởng hấp dẫn của proton – cụ thể là sự phân bố năng lượng, áp suất và ứng suất cắt xuyên suốt, làm uốn cong kết cấu không-thời gian trong và xung quanh hạt. Các nhà nghiên cứu làm được điều đó bằng cách khai thác một cách đặc biệt trong đó các cặp photon, hạt ánh sáng, có thể bắt chước graviton, hạt được giả thuyết là truyền lực hấp dẫn. Bằng cách bắn vào proton bằng các photon, họ gián tiếp suy ra lực hấp dẫn sẽ tương tác với nó như thế nào, từ đó hiện thực hóa giấc mơ hàng thập kỷ về việc thẩm vấn proton theo cách khác này.

“Đó là một chuyến tham quan,” nói Cédric Lorcé, một nhà vật lý tại Ecole Polytechnique ở Pháp, người không tham gia vào công việc này. “Về mặt thử nghiệm, nó cực kỳ phức tạp.” 

Từ Photon đến Graviton

Các nhà vật lý đã biết được rất nhiều điều về proton trong 70 năm qua bằng cách liên tục cho các electron đập vào nó. Họ biết rằng điện tích của nó kéo dài khoảng 0.8 femtomet, hay một phần triệu triệu mét, tính từ tâm của nó. Họ biết rằng các electron tới có xu hướng đánh bật một trong ba quark – các hạt cơ bản có điện tích nhỏ – phát ra âm thanh bên trong nó. Họ cũng đã quan sát thấy hệ quả kỳ lạ sâu sắc của lý thuyết lượng tử trong đó, trong những va chạm mạnh hơn, các electron xuất hiện gặp phải biển sủi bọt được tạo thành từ nhiều quark cũng như gluon hơn, những chất mang cái gọi là lực mạnh, lực này gắn kết các quark lại với nhau.

Tất cả thông tin này đến từ một thiết lập duy nhất: Bạn bắn một electron vào một proton và các hạt trao đổi một photon duy nhất - chất mang lực điện từ - và đẩy nhau ra xa. Sự tương tác điện từ này cho các nhà vật lý biết các quark, với tư cách là những vật tích điện, có xu hướng tự sắp xếp như thế nào. Nhưng proton có nhiều thứ hơn là điện tích của nó.

“Vật chất và năng lượng được phân bổ như thế nào?” yêu cầu Peter Schweitzer, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Connecticut. “Chúng tôi không biết.”

Schweitzer đã dành phần lớn sự nghiệp của mình để suy nghĩ về lực hấp dẫn của proton. Cụ thể, ông quan tâm đến một ma trận tính chất của proton gọi là tenxơ năng lượng-động lượng. “tensor năng lượng-động lượng biết mọi thứ cần biết về hạt,” ông nói.

Trong lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, lý thuyết tạo ra lực hấp dẫn khi các vật thể chuyển động theo đường cong trong không-thời gian, tenxơ năng lượng-động lượng cho không-thời gian biết cách uốn cong. Ví dụ, nó mô tả sự sắp xếp của năng lượng (hoặc, tương đương, khối lượng) - nguồn gốc của sự xoắn không-thời gian của sư tử. Nó cũng theo dõi thông tin về cách phân bổ động lượng, cũng như nơi sẽ bị nén hoặc giãn nở, điều này cũng có thể làm cong nhẹ không-thời gian.

Nếu chúng ta có thể biết được hình dạng của không-thời gian xung quanh một proton, Tiếng Nga và American các nhà vật lý đã nghiên cứu một cách độc lập vào những năm 1960, chúng ta có thể suy ra tất cả các tính chất được liệt kê trong tensor năng lượng-động lượng của nó. Chúng bao gồm khối lượng và spin của proton, những cái đã được biết đến, cùng với sự sắp xếp áp suất và lực của proton, một đặc tính chung mà các nhà vật lý gọi là “thuật ngữ Druck”, theo từ chỉ áp suất trong tiếng Đức. Thuật ngữ này “quan trọng như khối lượng và độ xoáy, và không ai biết nó là gì,” Schweitzer nói – mặc dù điều đó đang bắt đầu thay đổi.

Vào những năm 60, có vẻ như việc đo tensor năng lượng-động lượng và tính số hạng Druck sẽ yêu cầu một phiên bản hấp dẫn của thí nghiệm tán xạ thông thường: Bạn bắn một hạt có khối lượng lớn vào một proton và để cả hai trao đổi một graviton - hạt giả thuyết tạo nên sóng hấp dẫn – chứ không phải là photon. Nhưng do lực hấp dẫn cực kỳ yếu nên các nhà vật lý mong đợi sự tán xạ graviton xảy ra hiếm hơn 39 bậc độ lớn so với tán xạ photon. Các thí nghiệm không thể phát hiện được hiệu ứng yếu như vậy.

“Tôi nhớ đã đọc về điều này khi còn là sinh viên,” nói Volker Burkert, một thành viên của nhóm Phòng thí nghiệm Jefferson. Điều đáng rút ra là “có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ có thể học được bất cứ điều gì về tính chất cơ học của các hạt”.

Trọng lực không có trọng lực

Các thí nghiệm hấp dẫn ngày nay vẫn chưa thể tưởng tượng được. Nhưng nghiên cứu vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000 của các nhà vật lý Xiangdong Ji và, làm việc riêng biệt, cố Maxim Polykov tiết lộ a cách giải quyết.

Sơ đồ chung như sau. Khi bạn bắn nhẹ một electron vào một proton, nó thường phóng một photon tới một trong các quark và lệch đi. Nhưng chỉ có ít hơn một trong một tỷ sự kiện sẽ có điều gì đó đặc biệt xảy ra. Electron tới sẽ gửi một photon. Một quark hấp thụ nó và sau đó phát ra một photon khác trong một nhịp tim sau đó. Điểm khác biệt chính là sự kiện hiếm gặp này liên quan đến hai photon thay vì một – cả photon đi vào và đi ra. Các tính toán của Ji và Polykov cho thấy rằng nếu các nhà thực nghiệm có thể thu thập electron, proton và photon thu được, thì họ có thể suy ra từ năng lượng và động lượng của những hạt này điều gì đã xảy ra với hai photon. Và thí nghiệm hai photon đó về cơ bản sẽ có nhiều thông tin như thí nghiệm tán xạ graviton bất khả thi.

Làm thế nào hai photon có thể biết bất cứ điều gì về lực hấp dẫn? Câu trả lời liên quan đến toán học sởn gai ốc. Nhưng các nhà vật lý đưa ra hai cách suy nghĩ về lý do tại sao thủ thuật này lại có tác dụng.

Photon là những gợn sóng trong trường điện từ, có thể được mô tả bằng một mũi tên hoặc vectơ tại mỗi vị trí trong không gian biểu thị giá trị và hướng của trường. Graviton sẽ là những gợn sóng trong hình học của không-thời gian, một trường phức tạp hơn được biểu diễn bằng sự kết hợp của hai vectơ tại mọi điểm. Việc thu giữ một graviton sẽ cung cấp cho các nhà vật lý hai vectơ thông tin. Ngoài ra, hai photon có thể thay thế cho graviton, vì chúng cũng mang chung hai vectơ thông tin.

Một cách giải thích khác của toán học như sau. Trong khoảng thời gian trôi qua giữa lúc một quark hấp thụ photon đầu tiên và khi nó phát ra photon thứ hai, quark đi theo một đường xuyên qua không gian. Bằng cách thăm dò đường đi này, chúng ta có thể tìm hiểu về các đặc tính như áp suất và lực xung quanh đường đi.

“Chúng tôi không thực hiện một thí nghiệm về lực hấp dẫn,” Lorcé nói. Nhưng “chúng ta nên có được quyền truy cập gián tiếp vào cách một proton tương tác với graviton”. 

Thăm dò hành tinh Proton

Các nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Jefferson đã cùng nhau thu thập một vài sự kiện tán xạ hai photon vào năm 2000. Bằng chứng về khái niệm đó đã thôi thúc họ xây dựng một thí nghiệm mới, và vào năm 2007, họ đã đập các electron thành proton đủ số lần để tích lũy khoảng 500,000 va chạm mô phỏng graviton. Việc phân tích dữ liệu thử nghiệm phải mất thêm một thập kỷ nữa.

Từ danh mục các đặc tính bẻ cong không-thời gian, nhóm nghiên cứu đã rút ra thuật ngữ Druck khó nắm bắt, công bố ước tính của họ áp suất bên trong của proton Thiên nhiên 2018.

Họ phát hiện ra rằng ở tâm của proton, lực mạnh tạo ra áp suất có cường độ không thể tưởng tượng được – 100 tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ pascal, hay gấp khoảng 10 lần áp suất ở tâm của một ngôi sao neutron. Càng ra xa trung tâm, áp suất càng giảm và cuối cùng hướng vào trong, vì nó phải giữ cho proton không bị nổ tung. “Điều này xuất phát từ thí nghiệm,” Burkert nói. “Đúng vậy, một proton thực sự ổn định.” (Phát hiện này không liên quan gì đến liệu proton có phân rã không, tuy nhiên, nó liên quan đến một loại bất ổn khác được dự đoán bởi một số lý thuyết suy đoán.)

Nhóm Phòng thí nghiệm Jefferson tiếp tục phân tích thuật ngữ Druck. Họ đưa ra ước tính về lực cắt – nội lực đẩy song song với bề mặt của proton – như một phần của bài đánh giá xuất bản vào tháng 12. Các nhà vật lý nhận thấy rằng ở gần lõi của nó, proton chịu một lực xoắn bị trung hòa bởi sự xoắn theo hướng khác gần bề mặt hơn. Những phép đo này cũng nhấn mạnh tính ổn định của hạt. Những khúc mắc đã được dự kiến ​​dựa trên công trình lý thuyết của Schweitzer và Polykov. Elouadrhiri nói: “Tuy nhiên, việc chứng kiến ​​nó xuất hiện lần đầu tiên từ thí nghiệm thực sự đáng kinh ngạc”.

Bây giờ họ đang sử dụng những công cụ này để tính toán kích thước của proton theo một cách mới. Trong các thí nghiệm tán xạ truyền thống, các nhà vật lý đã quan sát thấy điện tích của hạt kéo dài khoảng 0.8 femtomet tính từ tâm của nó (nghĩa là các quark cấu thành của nó vo ve trong vùng đó). Nhưng “bán kính điện tích” đó có một số điểm kỳ quặc. Ví dụ, trong trường hợp neutron – bản sao trung hòa của proton, trong đó hai quark tích điện âm có xu hướng bám sâu bên trong hạt trong khi một quark tích điện dương dành nhiều thời gian hơn ở gần bề mặt – bán kính điện tích biểu hiện dưới dạng số âm. . “Điều đó không có nghĩa là kích thước âm; nó không phải là một thước đo trung thực,” Schweitzer nói.

Phương pháp mới đo vùng không-thời gian bị proton làm cong đáng kể. Trong một bản in chưa được bình duyệt, nhóm Phòng thí nghiệm Jefferson đã tính toán rằng bán kính này có thể nhỏ hơn khoảng 25% hơn bán kính điện tích, chỉ 0.6 femtomet.

Giới hạn của hành tinh Proton

Về mặt khái niệm, loại phân tích này làm mịn vũ điệu mờ ảo của các quark thành một vật thể rắn, giống như hành tinh, với áp suất và lực tác dụng lên từng hạt thể tích. Hành tinh đóng băng đó không phản ánh đầy đủ proton ồn ào ở tất cả vinh quang lượng tử của nó, nhưng nó là một mô hình hữu ích. “Đó là một cách giải thích,” Schweitzer nói.

Và các nhà vật lý nhấn mạnh rằng những bản đồ ban đầu còn thô sơ vì một số lý do.

Đầu tiên, việc đo chính xác tensor năng lượng-động lượng sẽ đòi hỏi năng lượng va chạm cao hơn nhiều so với năng lượng mà Phòng thí nghiệm Jefferson có thể tạo ra. Đội nghiên cứu đã làm việc chăm chỉ để ngoại suy một cách cẩn thận các xu hướng từ những năng lượng tương đối thấp mà họ có thể tiếp cận, nhưng các nhà vật lý vẫn không chắc những phép ngoại suy này chính xác đến mức nào.

Hơn nữa, proton còn nhiều hơn quark của nó; nó cũng chứa gluon, chúng di chuyển xung quanh bằng áp suất và lực của chính chúng. Thủ thuật hai photon không thể phát hiện được hiệu ứng của gluon. Một nhóm riêng biệt tại Phòng thí nghiệm Jefferson đã sử dụng một thủ thuật tương tự (liên quan đến tương tác gluon kép) để công bố bản đồ hấp dẫn sơ bộ của các hiệu ứng gluon này trong Thiên nhiên năm ngoái, nhưng nó cũng dựa trên dữ liệu hạn chế, năng lượng thấp.

Yoshitaka Hatta, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, người được truyền cảm hứng bắt đầu nghiên cứu proton hấp dẫn sau công trình năm 2018 của nhóm Phòng thí nghiệm Jefferson, cho biết: “Đây là bước đầu tiên”.

Các bản đồ hấp dẫn sắc nét hơn của cả quark của proton và gluon của nó có thể xuất hiện vào những năm 2030 khi Máy Va chạm Electron-Ion, một thí nghiệm hiện đang được xây dựng tại Brookhaven, sẽ bắt đầu hoạt động.

Trong khi đó, các nhà vật lý đang đẩy mạnh các thí nghiệm kỹ thuật số. Phiala Shanahan, một nhà vật lý hạt nhân và hạt tại Viện Công nghệ Massachusetts, dẫn đầu một đội tính toán hành trạng của quark và gluon bắt đầu từ các phương trình của lực mạnh. Năm 2019, cô cùng cộng sự ước tính áp lực và lực cắt, và vào tháng 10, chúng ước tính bán kính, trong số các tài sản khác. Cho đến nay, những phát hiện kỹ thuật số của họ đã liên kết rộng rãi với những phát hiện vật lý của Phòng thí nghiệm Jefferson. Shanahan nói: “Tôi chắc chắn khá phấn khích trước sự nhất quán giữa kết quả thử nghiệm gần đây và dữ liệu của chúng tôi”.

Ngay cả những cái nhìn thoáng qua mờ nhạt về proton thu được cho đến nay cũng đã nhẹ nhàng định hình lại sự hiểu biết của các nhà nghiên cứu về hạt.

Một số hậu quả là thực tế. Tại CERN, tổ chức châu Âu điều hành Máy Va chạm Hadron Lớn, máy đập proton lớn nhất thế giới, các nhà vật lý trước đây đã giả định rằng trong một số vụ va chạm hiếm gặp, các quark có thể ở bất cứ đâu trong các proton va chạm. Nhưng các bản đồ lấy cảm hứng từ lực hấp dẫn cho thấy các quark có xu hướng tập trung ở gần tâm trong những trường hợp như vậy.

Francois-Xavier Girod, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Jefferson, người làm việc trong các thí nghiệm, cho biết: “Các mô hình họ sử dụng tại CERN đã được cập nhật”.

Các bản đồ mới còn có thể đưa ra hướng dẫn giải quyết một trong những bí ẩn sâu sắc nhất của proton: tại sao các quark lại tự liên kết thành proton. Có một lập luận trực quan rằng vì lực mạnh giữa mỗi cặp quark tăng cường khi chúng càng xa nhau, giống như một sợi dây đàn hồi, nên các quark không bao giờ có thể thoát khỏi đồng loại của chúng.

Nhưng proton được tạo ra từ những thành viên nhẹ nhất trong họ quark. Và các quark nhẹ cũng có thể được coi là những sóng dài vượt ra ngoài bề mặt của proton. Hình ảnh này gợi ý rằng sự liên kết của proton có thể xảy ra không phải thông qua lực kéo bên trong của các dây đàn hồi mà thông qua một số tương tác bên ngoài giữa các quark lượn sóng, kéo ra này. Bản đồ áp suất cho thấy lực hút của lực mạnh kéo dài đến 1.4 femtomet và hơn thế nữa, củng cố lập luận cho các lý thuyết thay thế như vậy.

“Đó không phải là một câu trả lời chắc chắn,” Girod nói, “nhưng nó chỉ ra thực tế là những hình ảnh đơn giản với các dây đàn hồi này không liên quan đến các quark nhẹ.”