Tyngdekraften hjælper med at vise stærk kraftstyrke i protonen

Tyngdekraften er skrevet stort over vores synlige univers. Det kan ses i månernes låsetrin, når de kredser om planeter; i vandrende kometer trukket ud af kurs af massive stjerner; og i hvirvelen af ​​gigantiske galakser. Disse fantastiske skærme viser tyngdekraftens indflydelse på de største skalaer af stof. Nu opdager kernefysikere, at tyngdekraften også har meget at tilbyde i materiens mindste skala.

Ny forskning udført af kernefysikere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility bruger en metode, der forbinder teorier om gravitation med interaktioner mellem de mindste partikler af stof for at afsløre nye detaljer i denne mindre skala. Forskningen har nu for første gang afsløret et øjebliksbillede af fordelingen af ​​den stærke kraft inde i protonen. Dette øjebliksbillede beskriver den forskydningsspænding, som kraften kan udøve på kvarkpartiklerne, der udgør protonen. Resultatet blev for nylig offentliggjort i Reviews of Modern Physics .

Ifølge hovedforfatteren på undersøgelsen, Jefferson Labs rektor, Volker Burkert, afslører målingen indsigt i miljøet, som protonens byggesten oplever. Protoner er bygget af tre kvarker, der er bundet sammen af ​​den stærke kraft.

"På sit højeste er dette mere end en kraft på fire tons, som man skulle anvende på en kvark for at trække den ud af protonen," forklarede Burkert. "Naturen tillader selvfølgelig ikke, at vi kun adskiller én kvark fra protonen på grund af en egenskab ved kvarker kaldet 'farve'. Der er tre farver, der blander kvarker i protonen for at få den til at fremstå farveløs udefra, et krav for dens eksistens i rummet.

"Hvis du prøver at trække en farvet kvark ud af protonen, vil det producere et farveløst kvark/anti-kvark-par, en meson, der bruger den energi, du har lagt ind, til at forsøge at adskille kvarken og efterlade en farveløs proton (eller neutron). Så, 4-tons er en illustration af styrken af ​​den kraft, der er iboende i protonen."

Resultatet er kun den anden af ​​protonens mekaniske egenskaber, der skal måles. Protonens mekaniske egenskaber omfatter dets indre tryk, dens massefordeling (fysisk størrelse), dens vinkelmomentum og dens forskydningsspænding. Resultatet blev muliggjort af en halvt århundrede gammel forudsigelse og to årtier gamle data.

I midten af ​​1960'erne var det en teori om, at hvis kernefysikere kunne se, hvordan tyngdekraften interagerer med subatomære partikler, såsom protonen, kunne sådanne eksperimenter afsløre protonens mekaniske egenskaber direkte.

"Men på det tidspunkt var der ingen måde. Hvis du sammenligner tyngdekraften med den elektromagnetiske kraft, for eksempel, er der 39 størrelsesordener af forskel - så det er fuldstændig håbløst, ikke?" forklarede Latifa Elouadhrriri, en Jefferson Lab-medarbejder og medforfatter på undersøgelsen.

De årtier gamle data kom fra eksperimenter udført med Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Et typisk CEBAF-eksperiment ville indebære, at en energisk elektron interagerer med en anden partikel ved at udveksle en pakke energi og en enhed af vinkelmomentum kaldet en virtuel foton med partiklen. Elektronens energi dikterer, hvilke partikler den interagerer med på denne måde, og hvordan de reagerer.

I eksperimentet blev en kraft, der var meget større end de fire tons, der var nødvendig for at trække et kvark/antikvark-par ud, påført protonen af ​​den meget energiske elektronstråle, der interagerer med protonen i et mål af flydende hydrogengas.

"Vi udviklede programmet til at studere dybt virtuel Compton-spredning. Det er her, du har en elektron, der udveksler en virtuel foton med protonen. Og i den endelige tilstand forblev protonen den samme, men rekylerede, og du har en rigtig meget højenergisk foton produceret, plus den spredte elektron," sagde Elouadhriri. "På det tidspunkt, vi tog dataene, var vi ikke klar over, at ud over den 3-dimensionelle billeddannelse, vi havde til hensigt med disse data, indsamlede vi også de data, der var nødvendige for at få adgang til protonens mekaniske egenskaber."

Det viser sig, at denne specifikke proces - dybt virtuel Compton-spredning (DVCS) - kan være forbundet med, hvordan tyngdekraften interagerer med stof. Den generelle version af denne forbindelse blev angivet i lærebogen fra 1973 om Einsteins generelle relativitetsteori med titlen "Gravitation" af Charles W. Misner, Kip S. Thorne og John Archibald Wheeler.

I den skrev de:"Ethvert masseløst spin-2-felt ville give anledning til en kraft, der ikke kan skelnes fra gravitation, fordi et masseløst spin-2-felt ville koble sig til stress-energi-tensoren på samme måde, som gravitationsinteraktioner gør. ."

Tre årtier senere fulgte teoretikeren Maxim Polyakov op på denne idé ved at etablere det teoretiske grundlag, der forbinder DVCS-processen og gravitationsinteraktionen.

"Dette gennembrud i teorien etablerede forholdet mellem måling af dybt virtuel Compton-spredning og gravitationsformfaktoren. Og vi var i stand til at bruge det for første gang og udtrække det tryk, som vi gjorde i Naturen papir i 2018, og nu normalkraften og forskydningskraften," forklarede Burkert.

En mere detaljeret beskrivelse af forbindelserne mellem DVCS-processen og gravitationsinteraktionen kan findes i denne artikel, der beskriver det første resultat opnået fra denne forskning.

Forskerne siger, at deres næste skridt er at arbejde på at udtrække den information, de har brug for, fra de eksisterende DVCS-data for at muliggøre den første bestemmelse af protonens mekaniske størrelse. De håber også at drage fordel af nyere eksperimenter med højere statistikker og højere energi, som fortsætter DVCS-forskningen i protonen.

I mellemtiden er undersøgelsens medforfattere blevet forbløffet over overfloden af ​​nye teoretiske bestræbelser, detaljeret i hundredvis af teoretiske publikationer, som er begyndt at udnytte denne nyopdagede vej til at udforske protonens mekaniske egenskaber.

"Og også, nu hvor vi er i denne nye opdagelsesæra med 2023 Long Range Plan of Nuclear Science, der blev udgivet for nylig. Dette vil være en vigtig søjle i videnskabens retning med nye faciliteter og nye detektorudviklinger. Vi ser frem til at se mere af, hvad der kan gøres," sagde Burkert.

Elouadhriri er enig.

"Og efter min mening er dette kun begyndelsen på noget, der kommer meget større. Det har allerede ændret den måde, vi tænker på protonens struktur," sagde hun.

"Nu kan vi udtrykke strukturen af ​​subnukleare partikler i form af kræfter, tryk og fysiske størrelser, som også ikke-fysikere kan relatere til," tilføjede Burkert.

Flere oplysninger: V. D. Burkert et al., Colloquium:Gravitationsformfaktorer for protonen, Reviews of Modern Physics (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002

Journaloplysninger: Reviews of Modern Physics , Natur

Leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility