Fysikere beregner protonernes trykfordeling for første gang

Neutronstjerner er blandt de tættest kendte objekter i universet, at modstå tryk så store, at en teskefuld af en stjernes materiale ville svare til omkring 15 gange månens vægt. Men som det viser sig, protoner - de fundamentale partikler, der udgør det meste af det synlige stof i universet - indeholder endnu højere tryk.

For første gang, MIT fysikere har beregnet en protons trykfordeling, og fandt ud af, at partiklen indeholder en højt tryksat kerne, der, på sit mest intense punkt, genererer større tryk, end der findes inde i en neutronstjerne.

Denne kerne skubber ud fra protonens centrum, mens den omkringliggende region skubber indad. (Forestil dig en baseball, der forsøger at udvide sig inde i en fodbold, der er ved at kollapse.) De konkurrerende tryk virker til at stabilisere protonens overordnede struktur.

Fysikernes resultater, offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , repræsenterer første gang, at forskere har beregnet en protons trykfordeling ved at tage hensyn til bidragene fra både kvarker og gluoner, protonens grundlæggende, subnukleare bestanddele.

"Tryk er et grundlæggende aspekt af protonen, som vi ved meget lidt om i øjeblikket, " siger hovedforfatter Phiala Shanahan, assisterende professor i fysik ved MIT. "Nu har vi fundet ud af, at kvarker og gluoner i midten af ​​protonen genererer betydeligt udadgående tryk, og længere ud til kanterne, der er et begrænsende pres. Med dette resultat, vi kører mod et komplet billede af protonens struktur."

Shanahan udførte undersøgelsen med medforfatter William Detmold, lektor i fysik ved MIT.

Bemærkelsesværdige kvarker

I maj 2018, fysikere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility meddelte, at de havde målt protonens trykfordeling for første gang, ved hjælp af en stråle af elektroner, som de affyrede mod et mål lavet af brint. Elektronerne interagerede med kvarker inde i protonerne i målet. Fysikerne bestemte derefter trykfordelingen i hele protonen, baseret på den måde, hvorpå elektronerne spredte sig fra målet. Deres resultater viste et højtrykscenter i protonen, der ved sit højeste tryk målte omkring 10 ³⁵ pascals, eller 10 gange trykket inde i en neutronstjerne.

Imidlertid, Shanahan siger, at deres billede af protonens tryk var ufuldstændigt.

"De fandt et ret bemærkelsesværdigt resultat, "Siger Shanahan. "Men dette resultat var underlagt en række vigtige antagelser, som var nødvendige på grund af vores ufuldstændige forståelse."

Specifikt, forskerne baserede deres trykestimater på interaktionerne mellem en protons kvarker, men ikke dets gluoner. Protoner består af både kvarker og gluoner, som kontinuerligt interagerer på en dynamisk og fluktuerende måde inde i protonen. Jefferson Lab-holdet var kun i stand til at bestemme bidragene fra kvarker med dets detektor, hvilket Shanahan siger udelader en stor del af en protons trykbidrag.

"I løbet af de sidste 60 år, vi har opbygget en ganske god forståelse af kvarkers rolle i protonens struktur, " siger hun. "Men gluonstrukturen er langt, langt sværere at forstå, da det er notorisk svært at måle eller beregne."

Et gluonskifte

I stedet for at måle en protons tryk ved hjælp af partikelacceleratorer, Shanahan og Detmold så ud til at inkludere gluonernes rolle ved at bruge supercomputere til at beregne interaktionerne mellem kvarker og gluoner, der bidrager til en protons tryk.

"Inde i en proton, der er et boblende kvantevakuum af par af kvarker og antikvarker, samt gluoner, dukker op og forsvinder, "Siger Shanahan. "Vores beregninger inkluderer alle disse dynamiske udsving."

At gøre dette, holdet brugte en teknik i fysik kendt som gitter QCD, for kvantekromodynamik, som er et sæt ligninger, der beskriver den stærke kraft, en af ​​de tre grundlæggende kræfter i standardmodellen for partikelfysik. (De to andre er den svage og elektromagnetiske kraft.) Den stærke kraft er det, der binder kvarker og gluoner til i sidste ende at danne en proton.

Gitter QCD-beregninger bruger et firedimensionalt gitter, eller gitter, af punkter til at repræsentere de tre dimensioner af rum og en af ​​tid. Forskerne beregnede trykket inde i protonen ved hjælp af ligningerne for Quantum Chromodynamik defineret på gitteret.

"Det er enormt beregningsmæssigt krævende, så vi bruger de mest kraftfulde supercomputere i verden til at lave disse beregninger, " forklarer Shanahan.

Holdet brugte omkring 18 måneder på at køre forskellige konfigurationer af kvarker og gluoner gennem flere forskellige supercomputere, bestemte derefter det gennemsnitlige tryk ved hvert punkt fra midten af ​​protonen, ud til dens kant.

Sammenlignet med resultaterne fra Jefferson Lab, Shanahan og Detmold fandt ud af, at ved at inkludere bidrag fra gluoner, fordelingen af ​​tryk i protonen skiftede betydeligt.

"Vi har set på gluonbidraget til trykfordelingen for første gang, og vi kan virkelig se, at i forhold til de tidligere resultater er toppen blevet stærkere, og trykfordelingen strækker sig længere fra midten af ​​protonen, " siger Shanahan.

Med andre ord, det ser ud til, at det højeste tryk i protonen er omkring 10 ³⁵ pascals, eller 10 gange større end en neutronstjerne, svarende til, hvad forskere ved Jefferson Lab rapporterede. Det omgivende lavtryksområde strækker sig længere end tidligere anslået.

Bekræftelse af disse nye beregninger vil kræve meget kraftigere detektorer, såsom Electron-Ion Collider, en foreslået partikelaccelerator, som fysikere har til formål at bruge til at sondere protoners og neutroners indre strukturer, mere detaljeret end nogensinde før, inklusive gluoner.

"Vi er i de tidlige dage med at forstå kvantitativt gluonernes rolle i en proton, " siger Shanahan. "Ved at kombinere det eksperimentelt målte kvarkbidrag, med vores nye beregning af gluonstykket, vi har det første komplette billede af protonens tryk, hvilket er en forudsigelse, der kan testes ved den nye kolliderer i de næste 10 år."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.