Atomfysikere på jagt efter sammenpressede protoner

Mens protoner befolker kernen i hvert atom i universet, nogle gange kan de presses ind i en mindre størrelse og glide ud af kernen for at boltre sig på egen hånd. At observere disse sammenpressede protoner kan give en unik indsigt i de partikler, der bygger vores univers.

Nu, forskere, der er på jagt efter disse sammenpressede protoner ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility, er kommet op tomhændede, tyder på, at der er mere ved fænomenet end først antaget. Resultatet blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi ledte efter at presse protonen, så dens kvarker er i en lille konfiguration. Og det er en ret svær ting at gøre, " sagde Holly Szumila-Vance, en ansat videnskabsmand ved Jefferson Lab.

Protoner er lavet af tre kvarker bundet af den stærke kraft. I en almindelig proton, den stærke kraft er så stærk, at den siver ud, får protonen til at klæbe til andre protoner og neutroner omkring den i kernen. Det er ifølge kvantekromodynamikken, eller QCD, teorien, der beskriver, hvordan kvarker og den stærke kraft interagerer. I QCD, den stærke kraft omtales også som farvekraften.

Imidlertid, QCD forudsiger også, at protonen kan klemmes, så kvarkerne bliver tættere sammenknyttede - i det væsentlige pakker sig så tæt ind i farvekraften, at den ikke længere siver ud af protonen. Når det sker, protonen klæber ikke længere til andre partikler og kan bevæge sig frit gennem kernen. Dette fænomen kaldes "farvegennemsigtighed, " da protonen er blevet usynlig for farvekraften fra partiklerne omkring den.

"Det er en grundlæggende forudsigelse af kvantekromodynamik, teorien, der beskriver disse partikler, " forklarede Szumila-Vance.

Et tidligere eksperiment viste farvegennemsigtighed i enklere partikler lavet af kvarker kaldet pioner. Hvor protoner har tre kvarker, pioner har kun to. Ud over, et andet eksperiment udført med protoner havde også foreslået, at protoner også kan udvise farvegennemsigtighed ved energier, der er inden for rækkevidde af den nyligt opgraderede facilitet i Jefferson Lab.

"Vi forventede at finde protonerne klemt ligesom pionerne, " sagde Dipangkar Dutta, en professor ved Mississippi State University og en talsmand for eksperimentet. "Men vi gik til højere og højere energier og finder dem stadig ikke."

Eksperimentet var et af de første, der kørte i Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet, efter dens 12 GeV opgradering. I forsøget kernefysikerne ledede højenergielektroner fra CEBAF ind i carbonatomernes kerner. De målte derefter de udgående elektroner og eventuelle protoner, der kom ud.

"Dette var et spændende eksperiment at være en del af. Det var det første eksperiment, der blev kørt i forsøgshal C, efter at vi opgraderede hallen til 12 GeV løb, " sagde Szumila-Vance. "Dette var de højeste momentum protoner målt ved Jefferson Lab, og de protoner med det højeste momentum, der nogensinde er produceret ved elektronspredning."

"Ved de energier, vi sonderer, protonen er normalt decimeret, og du ser på affaldet af protonen, Dutta forklarede. "Men i vores tilfælde, vi ønsker, at protonen skal forblive en proton, og den eneste måde det kan ske på er, hvis kvarkerne på en måde klemmer sig sammen, holde hinanden meget mere fast, så de kan flygte sammen fra kernen."

Mens kernefysikerne observerede flere tusinde protoner i eksperimentet, de fandt ikke de afslørende tegn på farvegennemsigtighed i de nye data.

"Jeg tror, ​​det fortæller os, at protonen er mere kompliceret, end vi havde forventet, " sagde Szumila-Vance. "Dette er en grundlæggende forudsigelse af teorien. Vi ved, at det skal eksistere ved en eller anden høj energi, men ved bare endnu ikke, hvor det vil ske."

Forskerne sagde, at det næste skridt er bedre at forstå fænomenet i enklere partikler, hvor det allerede er blevet observeret, så der kan laves forbedrede forudsigelser for mere komplekse partikler, såsom protoner.