Promień masowy protonu jest najwyraźniej mniejszy niż promień jego ładunku – Ars Technica

Jeśli pytasz, ile waży przedmiot, taki jak rower, odpowiedź jest prosta. Ale kiedy pytasz, gdzie leży większość roweru, sprawy stają się bardziej skomplikowane. Rower ma wiele części, z których część się porusza, z których każda ma inną objętość, kształt i gęstość, więc jego masa jest rozłożona nieregularnie wokół kształtu.

W pewnym sensie jest to podobne do pytania, gdzie jest masa protonu. Proton jest zbiorem kwarków i gluonów poruszających się wokół centralnego punktu z relatywistyczną prędkością. Ustalenie, gdzie masowo żyje, byłoby trudne, nawet bez faktu, że analogia z rowerem całkowicie się rozpada z powodu jednego niewygodnego faktu: proton waży znacznie więcej niż jego składowe kwarki, a gluony utrzymujące kwarki razem są bezmasowe. W rzeczywistości masa zaangażowanych cząstek jest prawie nieistotna. „Jeśli wykonasz obliczenia, w których ustawisz masę kwarku na zero, proton będzie prawie taki sam” – powiedział Ars fizyk Sylvester Johannes Joosten.

Zamiast tego, znaczna część masy protonu pochodzi z niewiarygodnie wysokiej gęstości energii utworzonej przez silne oddziaływania gluonów. Aby więc zrozumieć masę protonu, musimy zrozumieć, co robią jego gluony. Co jest niezwykle trudne, biorąc pod uwagę, że są one bezmasowe i nie mają ładunku. Jednak niektóre prace eksperymentalne ustaliły wartość promienia masy protonu, która opisuje rozkład masy w cząstce. I okazuje się, że wartość znacznie różni się od promienia ładunku protonu.

wąchanie gluonów

Bez masy i ładunku gluony są bardzo trudne do wykrycia; Wnioskujemy, gdzie musiały być, głównie na podstawie szczątków, które wytwarzają w zderzeniach cząstek. W pewnym stopniu możemy modelować ich zachowanie, ale opisuje to głównie chromodynamika kwantowa, która słynie z obciążania ogromnych zasobów obliczeniowych. Nawet najlepsze modele zachowania gluonów, jakie mamy, są przybliżeniami.

Jeśli masa protonu zależy głównie od jego gluonów, a nie możemy powiedzieć, co robią gluony, jak możemy powiedzieć, co się dzieje?

Sztuczka polegała na zidentyfikowaniu procesu, który można wykryć, ale jest wrażliwy na obecność gluonów. Proces ten polega na przemianie energii (w postaci światła) w materię. W szczególności foton o wystarczającej energii może zostać przekształcony w tak zwany mezon J/ψ, składający się z kwarka powabnego i antykwarku powabnego, w procesie wrażliwym na konfigurację gluonów w pobliskich protonach. Mierząc produkcję mezonów J/ψ, możliwe jest określenie tak zwanych gluonowych grawitacyjnych współczynników kształtu, które opisują, gdzie masa znajduje się w protonie.

Sposób, w jaki to robimy, jest prawie tak skomplikowany, jak proces opisany w powyższym akapicie. Rozpoczyna się wiązką wysokoenergetycznych elektronów generowanych w Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Te elektrony są następnie przemieszczane tam iz powrotem w poprzek ich kierunku ruchu w procesie o bardzo technicznej nazwie: Poruszaj. W efekcie tracą energię, którą uwalniają w postaci wysokoenergetycznych fotonów.

Te fotony są następnie przesyłane przez komorę zawierającą kadź z ciekłym wodorem. Gdy przechodzą przez kadź, niektóre fotony są przekształcane w mezony J/ψ, które następnie natychmiast się rozpadają. Dwa z produktów tego rozpadu to elektron i pozyton, które mogą być wychwytywane przez detektory, co pozwala na rejestrację produkcji mezonów J/ψ. W oparciu o te odkrycia możliwe jest cofnięcie się i ustalenie gluonowych grawitacyjnych czynników kształtu.

(Zauważ, że nawet nie próbuję znaleźć analogii do gluonowych czynników grawitacyjnych, które pomogłyby ci je zrozumieć. Są one opisane w artykule jako „elementy macierzowe tensora energii i pędu protonu” i kodują to Mechaniczne właściwości protonu, podczas gdy śladowa anomalia tensora energii i pędu jest kluczowym składnikiem pochodzenia masy zgodnie z chromodynamiką kwantową. Wymiary.)

Tu i tam

Dysponując danymi, naukowcy potrzebowali jedynie modelu zachowania gluonów, aby powiązać swoje odkrycia z tym, co dzieje się wewnątrz protonu. Niestety, fizycy stworzyli kilka różnych modeli, ponieważ prawie niemożliwe jest bezpośrednie obliczenie czegokolwiek związanego z chromodynamiką kwantową na obecnym sprzęcie. Tak więc dostępne modele są w większości alternatywnymi sposobami dokonywania przybliżeń, które pozwalają komputerom stworzyć coś użytecznego.

W przeważającej części różne przybliżenia dawały dość podobne odpowiedzi, chociaż sytuacja pogorszyła się nieco w przypadku fotonów o niższej energii, które ledwo miały dość energii, aby przekształcić się w coś o masie J/ψ. Niemniej jednak różne podejścia zapewniają z grubsza porozumienie co do tego, gdzie znajduje się masa protonu, a tym samym promień masy protonu.

Uderzające w wyniku jest to, że różni się on od promienia ładunku protonu. Chociaż istnieją pewne rozbieżności między różnymi metodami pomiaru promienia ładunku (jednak są one coraz mniejsze), różnice są stosunkowo niewielkie. A wszystkie pomiary umieszczają promień ładunku znacznie dalej niż promień masy. Ponieważ ładunek jest iloczynem kwarków, sugeruje to, że cząstki te regularnie krążą poza obszarem odwiedzanym przez gluony zajęte utrzymywaniem całego protonu w całości.

Ale Joosten powiedział, że istnieją przesłanki, że sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana. Oddziaływania, które utworzyły mezony J/ψ, wymagają wymiany gluonów, których spiny są wyrównane. Możliwa jest również zamiana gluonów o przeciwnych spinach, co nazywamy oddziaływaniem skalarnym. Istnieją dowody na to, że promień skalarny też jest inny.

— Oczekuje się, że zobaczysz promień skalarny — powiedział Joosten. „Widzimy coś wielkiego. Jest o wiele większy – to jak wielkie halo wokół protonu”.

Jednym zastrzeżeniem jest to, że Joosten powiedział, że wyniki są bardzo wstępne: „Nie znaleźliśmy tego, chcemy to zbadać w przyszłych eksperymentach.” Drugim jest to, że użycie przez niego terminu „ogromny” jest względne; wszystko to dzieje się w cząstce subatomowej.

Ale jeśli wyniki się utrzymają, sugeruje to, że proton ma co najmniej trzy różne promienie – ładunek, masę i skalar – i wszystkie różne długości.

I tutaj analogia do roweru może znów mieć sens. W końcu nie oczekujesz, że środek ciężkości roweru będzie znajdował się w tym samym miejscu co pedały lub miejsce kierowania. Pomimo tego, że jest pojedynczym obiektem, jego złożona natura oznacza, że ​​te różne aspekty jego zachowania niekoniecznie muszą znajdować się w tym samym miejscu. Wydaje się, że to samo dotyczy protonu.

Przyroda, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4 (O DOI).