Naturens funhouse-spejl:Forståelse af asymmetri i protonen

Asymmetri i protonen forvirrer fysikere, men en ny opdagelse kan bringe gamle teorier tilbage for at forklare det.

Symmetri - vist i områder lige fra matematik og kunst, til levende organismer og galakser - er en vigtig underliggende struktur i naturen. Det kendetegner vores univers og gør det muligt at studere og forstå det.

Fordi symmetri er et så gennemgående tema i naturen, fysikere er især fascinerede, når et objekt ser ud til at være symmetrisk, men det er det ikke. Når videnskabsmænd bliver konfronteret med disse brudte symmetrier, det er, som om de har fundet en genstand med en mærkelig refleksion i spejlet.

protonen, en positivt ladet partikel, der findes i centrum af hvert atom, viser asymmetri i sin makeup. Fysikere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og deres samarbejdspartnere undersøgte for nylig forviklingerne af denne kendte brudte symmetri gennem et eksperiment udført på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory. Resultaterne af eksperimentet kunne ændre forskning af protonen ved at genoplive tidligere kasserede teorier om dens indre funktion.

Resultatet af dette eksperiment modsiger konklusionen af ​​en undersøgelse fra slutningen af ​​90'erne, også optrådt på Fermilab. Forskere kan nu gense teorier for at beskrive asymmetri i protonen, som blev udelukket af det gamle eksperiment.

At forstå protonens egenskaber hjælper fysikere med at besvare nogle af de mest fundamentale spørgsmål i hele videnskaben, og ved at undersøge verden på det mindste niveau, videnskabsmænd fremmer teknologi, vi bruger hver dag. Undersøgelser af protonen har ført til udviklingen af ​​protonterapi til kræftbehandling, måling af protonstråling under rumrejser og endda forståelse af stjernedannelse og det tidlige univers.

"Vi var i stand til at se på den forvirrende dynamik i protonen, " sagde Argonne-fysiker Don Geesaman, "og gennem dette eksperiment, naturen leder vejen for, at koncepter i ældre modeller af protonen får et nyt look."

Uoverensstemmende sag

Ligesom former kan have symmetri, partikler kan, også. En perfekt cirkel består af to halvcirkler af samme størrelse, der vender modsatte retninger, og hver type partikel i universet har en antipartikel af samme masse med modsat elektrisk ladning.

Protonens byggesten omfatter partikler kaldet kvarker, og deres antipartikler, kaldet antikvarker. De kommer i "smag", såsom op, ned, anti-op og anti-ned. Kvarker og antikvarker er bundet sammen inde i protonen af ​​en stærk kernekraft. Styrken af ​​denne kraft kan trække par af kvarker og antikvarker ud af ingenting, og disse par eksisterer i kort tid, før de tilintetgør hinanden. Dette "hav" af kvarker og antikvarker, der popper ind og ud af eksistensen, er altid til stede inde i protonen.

Mærkeligt nok, til enhver tid, der er tre kvarker mere end antikvarker:to flere opkvarker end anti-opkvarker, og en dunkvark mere end anti-dunkvarker. Med andre ord, disse uoverensstemmende kvarker har ingen antistof-modstykker. Denne asymmetri er årsagen til, at protoner er positivt ladede, lader atomer – og derfor alt stof – eksistere.

"Vi har stadig en ufuldstændig forståelse af kvarker i en proton, og hvordan de giver anledning til protonens egenskaber, sagde Paul Reimer, en Argonne-fysiker om undersøgelsen. "Den flygtige karakter af kvark-antikvark-parrene gør deres tilstedeværelse i protonerne vanskelige at studere, men i dette eksperiment, vi opdagede udslettelse af antikvarkerne, som gav os indsigt i asymmetrien."

Eksperimentet viste, at der altid er flere anti-down kvarker i protonen end anti-up kvarker, uanset kvarkernes momentum. Betydningen af ​​dette resultat er dets modstrid med konklusionen på Fermilab-eksperimentet i slutningen af ​​90'erne, hvilket antydede, at ved høje momentum, protonens asymmetri vender om, hvilket betyder, at anti-up kvarkerne begynder at dominere anti-down kvarkerne.

"Vi designede det nye eksperiment for at se på disse høje momentum for at afgøre, om denne ændring virkelig sker, " sagde Reimer. "Vi viste, at der er en jævn asymmetri uden vending af forholdet mellem anti-op- og anti-ned-kvarker."

Genopbygning af udslettelse

At undersøge kvarkerne og antikvarkerne i protonen, videnskabsmændene skød stråler af protoner mod mål og studerede følgerne af partikelkollisionerne. Specifikt, de undersøgte, hvad der sker, efter at en proton fra strålen rammer en proton i målet.

Når protoner kolliderer, kvarker og antikvarker fra protonerne udsletter hinanden. Derefter, to nye fundamentale partikler kaldet muoner kommer ud af tilintetgørelsen, fungerer som interaktionens signatur. Fra disse interaktioner, forskerne bestemte forholdet mellem anti-up-kvarker og anti-down-kvarker ved en række høje momentum.

"Vi valgte at måle muoner, fordi de kan passere gennem materiale bedre end de fleste andre kollisionsfragmenter, " sagde Reimer. Mellem målene og deres måleapparater, holdet placerede en fem meter tyk jernvæg for at forhindre andre partikler i at passere igennem og sløre deres signaler.

Når myonerne rammer måleapparaterne ved afslutningen af ​​deres rejse, videnskabsmændene rekonstruerede kvark-antikvark udslettelse fra målingerne, gør det muligt for dem at bekræfte det glatte, konsekvent forhold mellem anti-up kvarker og anti-down kvarker.

Et andet blik

"Det, vi troede, vi så i det forrige eksperiment, er ikke, hvad der sker, sagde Geesaman, som var en del af både nuværende og tidligere undersøgelser. "Hvorfor, selvom? Det er næste skridt."

Teorier, der blev forkastet efter at de modsagde det tidligere eksperiment resultater, giver nu en fantastisk beskrivelse af de nye data, og videnskabsmænd kan gense dem med større selvtillid på grund af dette eksperiment. Disse teorier vil informere yderligere eksperimenter om asymmetri i protonen og andre partikler, bidrager til vores forståelse af teorien omkring kvarker.

Ledtråde om karakteren af ​​kvarker i protonen fører i sidste ende til en bedre forståelse af atomkernen. At forstå kernen kan afmystificere atomets egenskaber, og hvordan forskellige kemiske elementer reagerer med hinanden. Protonforskning berører områder, herunder kemi, astronomi, kosmologi og biologi, fører til fremskridt inden for medicin, materialevidenskab og meget mere.

"Du har brug for at eksperimentere for at lede tænkningen og begrænsningsteorien, og her, vi ledte efter naturen for at give os indsigt i protonens dynamik, " sagde Geesaman. "Det er en sammenflettet cyklus af eksperimenter og teori, der fører til effektfuld forskning."

Et papir om undersøgelsen, "Asymmetrien af ​​antistof i protonen", blev udgivet i Natur den 24. feb.