Den stærke krafts styrke

Der blev gjort meget om Higgs-bosonen, da denne undvigende partikel blev opdaget i 2012. Selvom den blev udråbt til at give almindelig stofmasse, genererer interaktioner med Higgs-feltet kun omkring 1 procent af den almindelige masse. De øvrige 99 procent kommer fra fænomener forbundet med den stærke kraft, den grundlæggende kraft, der binder mindre partikler kaldet kvarker til større partikler kaldet protoner og neutroner, der udgør kernen af ​​atomerne i almindeligt stof.

Nu har forskere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility eksperimentelt udvundet styrken af ​​den stærke kraft, en mængde, der solidt understøtter teorier, der forklarer, hvordan det meste af massen eller almindeligt stof i universet genereres.

Denne størrelse, kendt som koblingen af ​​den stærke kraft, beskriver, hvor stærkt to legemer interagerer eller "kobler sig" under denne kraft. Stærk kraftkobling varierer med afstanden mellem de partikler, der påvirkes af kraften. Forud for denne forskning var teorierne uenige om, hvordan stærk kraftkobling skulle opføre sig på stor afstand:Nogle forudsagde, at den skulle vokse med afstanden, nogle at den skulle aftage, og nogle at den skulle blive konstant.

Med Jefferson Lab-data var fysikerne i stand til at bestemme den stærke kraftkobling på de største afstande endnu. Deres resultater, som giver eksperimentel støtte til teoretiske forudsigelser, blev for nylig vist på forsiden af ​​tidsskriftet Particles .

"Vi er glade og spændte på at se vores indsats blive anerkendt," sagde Jian-Ping Chen, seniorforsker ved Jefferson Lab og medforfatter af papiret.

Selvom dette papir er kulminationen på mange års dataindsamling og analyse, var det ikke helt bevidst i starten.

Et spin-off af et spin-eksperiment

Ved mindre afstande mellem kvarker er stærk kraftkobling lille, og fysikere kan løse det med en standard iterativ metode. Ved større afstande bliver stærk kraftkobling dog så stor, at den iterative metode ikke virker længere.

"Dette er både en forbandelse og en velsignelse," sagde Alexandre Deur, en stabsforsker ved Jefferson Lab og medforfatter af papiret. "Selvom vi er nødt til at bruge mere komplicerede teknikker til at beregne denne mængde, frigør dens rene værdi et væld af meget vigtige nye fænomener."

Dette inkluderer en mekanisme, der tegner sig for 99 procent af den almindelige masse i universet. (Men vi kommer til det om lidt.)

På trods af udfordringen ved ikke at være i stand til at bruge den iterative metode, udtrak Deur, Chen og deres medforfattere stærk kraftkobling på de største afstande mellem berørte kroppe nogensinde.

De udledte denne værdi fra en håndfuld Jefferson Lab-eksperimenter, der faktisk var designet til at studere noget helt andet:proton- og neutronspin.

Disse eksperimenter blev udført i laboratoriets Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE-brugerfacilitet. CEBAF er i stand til at levere polariserede elektronstråler, som kan rettes mod specialiserede mål indeholdende polariserede protoner og neutroner i forsøgshallerne. Når en elektronstråle er polariseret, betyder det, at størstedelen af ​​elektronerne alle drejer i samme retning.

Disse eksperimenter skød Jefferson Labs polariserede elektronstråle mod polariserede proton- eller neutronmål. I løbet af de adskillige år med dataanalyse bagefter indså forskerne, at de kunne kombinere information indsamlet om protonen og neutronen for at udvinde stærk kraftkobling på større afstande.

"Kun Jefferson Labs højtydende polariserede elektronstråle i kombination med udviklinger inden for polariserede mål og detektionssystemer tillod os at få sådanne data," sagde Chen.

De fandt ud af, at efterhånden som afstanden øges mellem berørte kroppe, vokser stærk kraftkobling hurtigt, før den udjævnes og bliver konstant.

"Der er nogle teorier, der forudsagde, at dette skulle være tilfældet, men det er første gang eksperimentelt, at vi rent faktisk så dette," sagde Chen. "Dette giver os detaljer om, hvordan den stærke kraft, på skalaen af ​​kvarkerne, der danner protoner og neutroner, faktisk fungerer."

Udjævning understøtter massive teorier

Disse eksperimenter blev udført for omkring 10 år siden, da Jefferson Labs elektronstråle var i stand til at levere elektroner med op til 6 GeV i energi (den er nu i stand til op til 12 GeV). Elektronstrålen med lavere energi var påkrævet for at undersøge den stærke kraft ved disse større afstande:en sonde med lavere energi giver adgang til længere tidsskalaer og derfor større afstande mellem berørte partikler.

På samme måde er en højere-energi-sonde afgørende for at zoome ind for visninger af kortere tidsskalaer og mindre afstande mellem partikler. Laboratorier med højere energistråler, såsom CERN, Fermi National Accelerator Laboratory og SLAC National Accelerator Laboratory, har allerede undersøgt stærk kraftkobling på disse mindre rumtidsskalaer, når denne værdi er relativt lille.

Den zoomede visning, der tilbydes af stråler med højere energi, har vist, at massen af ​​en kvark er lille, kun nogle få MeV. Det er i hvert fald deres lærebogsmesse. Men når kvarker sonderes med lavere energi, vokser deres masse effektivt til 300 MeV.

Det skyldes, at kvarkerne samler en sky af gluoner, den partikel, der bærer den stærke kraft, når de bevæger sig over større afstande. Den massegenererende effekt af denne sky tegner sig for det meste af massen i universet - uden denne ekstra masse kan lærebogens masse af kvarker kun udgøre omkring 1% af massen af ​​protoner og neutroner. De øvrige 99% kommer fra denne erhvervede masse.

På samme måde hævder en teori, at gluoner er masseløse på korte afstande, men effektivt opnår masse, når de rejser længere. Udjævningen af ​​stærk kraftkobling ved store afstande understøtter denne teori.

"Hvis gluoner forblev masseløse på lang rækkevidde, ville stærk kraftkobling blive ved med at vokse ukontrolleret," sagde Deur. "Vores målinger viser, at stærk kraftkobling bliver konstant, efterhånden som den probede afstand bliver større, hvilket er et tegn på, at gluoner har erhvervet masse gennem den samme mekanisme, der giver 99% af massen til protonen og neutronen."

Dette betyder, at stærk kraftkobling på store afstande er vigtig for at forstå denne massegenereringsmekanisme. Disse resultater hjælper også med at verificere nye måder at løse ligninger for kvantekromodynamik (QCD), den accepterede teori, der beskriver den stærke kraft.

For eksempel giver udfladningen af ​​den stærke kraftkobling på store afstande bevis på, at fysikere kan anvende en ny, banebrydende teknik kaldet Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) dualitet. AdS/CFT-teknikken gør det muligt for fysikere at løse ligninger non-iterativt, hvilket kan hjælpe med stærke kraftberegninger på store afstande, hvor iterative metoder mislykkes.

Det konforme i "Conformal Field Theory" betyder, at teknikken er baseret på en teori, der opfører sig ens på alle rumtidsskalaer. Fordi stærk kraftkobling udjævnes ved større afstande, er den ikke længere afhængig af rumtidsskala, hvilket betyder, at den stærke kraft er konform, og AdS/CFT kan anvendes. Mens teoretikere allerede har anvendt AdS/CFT til QCD, understøtter disse data brugen af ​​teknikken.

"AdS/CFT har givet os mulighed for at løse problemer med QCD eller kvantetyngdekraft, som hidtil har været vanskelige eller behandlet meget groft ved hjælp af ikke særlig strenge modeller," sagde Deur. "Dette har givet mange spændende indsigter i fundamental fysik."

Så selvom disse resultater blev genereret af eksperimentelister, påvirker de teoretikere mest.

"Jeg tror, ​​at disse resultater er et sandt gennembrud for fremme af kvantekromodynamik og hadronfysik," sagde Stanley Brodsky, emeritus professor ved SLAC National Accelerator Laboratory og en QCD-teoretiker. "Jeg lykønsker Jefferson Labs fysiksamfund, især Dr. Alexandre Deur, for dette store fremskridt inden for fysik."

Der er gået flere år, siden de eksperimenter, der ved et uheld bar disse resultater, blev udført. En helt ny suite af eksperimenter bruger nu Jefferson Labs 12 GeV-stråle med højere energi til at udforske kernefysik.

"En ting, jeg er meget glad for med alle disse ældre eksperimenter, er, at vi trænede mange unge studerende, og de er nu blevet ledere af fremtidige eksperimenter," sagde Chen.

Kun tiden vil vise, hvilke teorier disse nye eksperimenter understøtter. + Udforsk yderligere

Atomfysikere på jagt efter sammenpressede protoner