Første måling af subatomære partiklers mekaniske egenskab afslører fordeling af tryk inde i proton

Inde i hver proton i hvert atom i universet er et trykkogermiljø, der overgår atomkrydsende hjerte i en neutronstjerne. Det er ifølge den første måling af en mekanisk egenskab af subatomære partikler, trykfordelingen inde i protonen, som blev udført af forskere ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Kernefysikerne fandt ud af, at protonens byggesten, kvarkerne, udsættes for et tryk på 100 decillion Pascal (10 ³⁵ ) nær midten af ​​en proton, hvilket er omkring 10 gange større end trykket i hjertet af en neutronstjerne. Resultatet blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Natur .

"Vi fandt et ekstremt højt udadrettet tryk fra midten af ​​protonen, og et meget lavere og mere forlænget indadrettet tryk nær protonens periferi, " forklarer Volker Burkert, Jefferson Lab Hall B Leader og medforfatter på papiret.

Burkert siger, at fordelingen af ​​tryk inde i protonen er dikteret af den stærke kraft, kraften, der binder tre kvarker sammen til en proton.

"Vores resultater kaster også lys over fordelingen af ​​den stærke kraft inde i protonen, "sagde han." Vi giver en måde at visualisere størrelsen og fordelingen af ​​den stærke kraft inde i protonen. Dette åbner en helt ny retning inden for atom- og partikelfysik, der kan udforskes i fremtiden. "

Engang troet umuligt at opnå, denne måling er resultatet af en smart parring af to teoretiske rammer med eksisterende data.

Først, der er de generaliserede parton-fordelinger. GPD'er giver forskere mulighed for at producere et 3D-billede af protonens struktur, som den elektromagnetiske kraft undersøger. Den anden er protonens gravitationsformfaktorer. Disse formfaktorer beskriver, hvordan protonens mekaniske struktur ville være, hvis forskere kunne sondere protonen via tyngdekraften.

Teoretikeren, der udviklede begrebet gravitationsformfaktorer i 1966, Heinz Pagels, berømt bemærket i papiret med detaljer om dem, at der var "meget lidt håb om at lære noget om den detaljerede mekaniske struktur af en partikel, på grund af den ekstreme svaghed ved gravitationsinteraktionen. "

Seneste teoretiske arbejde, imidlertid, har forbundet GPD'er med gravitationsformfaktorerne, tillader resultaterne fra elektromagnetiske sonder af protoner at erstatte gravitationssonder.

"Det er det skønne ved det. Du har dette kort, som du tror, ​​du aldrig får, "sagde Latifa Elouadrhiri, en Jefferson Lab-videnskabsmand og medforfatter på papiret. "Men her er vi, udfylde den med denne elektromagnetiske sonde. "

Den elektromagnetiske sonde består af elektronstråler produceret af den kontinuerlige elektronstråleacceleratorfacilitet, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Disse elektroner ledes ind i atomkernerne, hvor de interagerer elektromagnetisk med kvarkerne inde i protoner via en proces kaldet dybt virtuel Compton -spredning.

I DVCS -processen en elektron kommer ind i en proton og bytter en virtuel foton med en kvark, overføre energi til kvarken og protonen. Kort tid senere, protonen frigiver denne energi ved at udsende en anden foton og fortsætter intakt. Denne proces er analog med de beregninger, Pagels udførte for, hvordan det ville være muligt at sonde protonen gravitationsmæssigt via en hypotetisk stråle af gravitoner. Jefferson Lab-forskerne var i stand til at udnytte en lighed mellem de velkendte elektromagnetiske og hypotetiske gravitationsstudier for at få deres resultat.

"Der kommer en foton ind og en foton, der kommer ud. Og fotonparret er begge spin-1. Det giver os de samme oplysninger som at udveksle en gravitonpartikel med spin-2, siger Francois-Xavier Girod, en Jefferson Lab-videnskabsmand og medforfatter på papiret. "Så nu, man kan grundlæggende gøre det samme, som vi har gjort i elektromagnetiske processer - men i forhold til gravitationsformfaktorerne, som repræsenterer protonens mekaniske struktur. "

Forskerne siger, at det næste skridt er at anvende teknikken på endnu mere præcise data, der snart vil være tilgængelige for at reducere usikkerheden i den aktuelle analyse og begynde at arbejde hen imod at afsløre andre mekaniske egenskaber ved den allestedsnærværende proton, såsom de indre forskydningskræfter og protonens mekaniske radius.