Zdá se, že hmotnostní poloměr protonu je kratší než poloměr náboje – Ars Technica

Pokud se ptáte, kolik váží předmět, jako je jízdní kolo, existuje jednoduchá odpověď. Ale když se zeptáte, kde je hmotnost kola, věci se trochu zkomplikují. Jízdní kolo má mnoho částí – z nichž některé se pohybují – které mají různé velikosti, tvary a hustoty, takže jeho hmota je kolem jeho tvaru rozložena nepravidelně.

Do jisté míry je to analogie k otázce, kde je hmotnost protonu. Proton je soubor kvarků a gluonů pohybujících se relativistickou rychlostí kolem centrálního bodu. Těžko by se dalo říci, kde by byla jeho skupinová životnost, i když by se analogie s jízdními koly zcela rozpadla kvůli jedné trapné skutečnosti: proton váží mnohem více než jeho kvarky, které tvoří jeho kvarky, a gluony držící kvarky pohromadě jsou bez hmotnosti. Ve skutečnosti je hmotnost zúčastněných částic poněkud irelevantní. „Pokud provedete výpočty, kde nastavíte hmotnost kvarku na nulu, proton je v podstatě totéž,“ řekl fyzik Sylvester Johannes Josten pro Ars.

Místo toho velká část hmotnosti protonu pochází z neuvěřitelně vysoké hustoty energie generované silnými silovými interakcemi gluonů. Abychom pochopili hmotnost protonu, musíme pochopit, co musí gluony dělat. Což, být bezmasový a bez náboje, je extrémně těžké udělat. Některé experimentální práce však vytvořily hodnotu pro hmotnostní poloměr protonu, která popisuje rozložení hmoty uvnitř částice. A ukazuje se, že hodnota se výrazně liší od poloměru náboje protonu.

Vdechování gluonů

Gluony bez hmotnosti nebo náboje jsou velmi obtížně detekovatelné; Primárně usuzujeme, kde musí být, z trosek, které pomáhají vytvářet při srážkách částic. Do jisté míry můžeme modelovat jejich chování, ale to primárně popisuje kvantová chromodynamika, která je legendární svou schopností srazit na kolena masivní výpočetní zdroje. Takže i naše nejlepší modely chování gluonů jsou aproximace.

Pokud hmotnost protonu závisí primárně na jeho gluonech, pak, a my nemůžeme vědět, co gluony dělají, jak můžeme vědět, co se děje?

Trik spočíval v identifikaci procesu, který by byl detekovatelný, ale citlivý na přítomnost gluonů. Tímto procesem je přeměna energie (ve formě světla) na hmotu. Konkrétně foton s dostatečnou energií může být přeměněn na takzvaný J/meson, sestávající z kvarku kouzla a antikvarku kouzla pomocí jemného procesu formování gluonů na jakékoli blízké protony. Měřením produkce J/mezonů je možné určit něco, čemu se říká gluonové gravitační tvarové faktory, které popisují, kde se nachází hmota v protonu.

Jak to udělat, je téměř stejně složité jako popis procesu ve výše uvedeném odstavci. Začíná svazkem vysokoenergetických elektronů, vyrobeným v Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Tyto elektrony se pak pohybují tam a zpět napříč svým směrem cesty v procesu s velmi technickým názvem: kroutit. Tím ztrácejí energii, kterou uvolňují ve formě vysokoenergetických fotonů.

Tyto fotony jsou poté odeslány přes komoru obsahující nádobu s kapalným vodíkem. Při překročení pánve se některé fotony přemění na mezony J/, které se okamžitě rozpadnou. Dva z produktů tohoto rozpadu jsou elektron a pozitron, které mohou být zachyceny detektory, což umožňuje zaznamenat produkci J/ mezonů. Na základě těchto objevů je možné přepracovat a zjistit tvarové faktory gluonové gravitace.

(Všimněte si, že se ani nesnažím najít analogii pro gluonové gravitační tvarové faktory, která by vám pomohla je pochopit. V článku jsou popsány jako „maticové prvky tenzoru energie-hybnosti protonu a kódují mechanické vlastnosti protonu, zatímco anomální efekt tenzoru energie a hybnosti je podle kvantové chromodynamiky hlavní složkou původu hmoty.“ Musíte jen věřit všem zúčastněným, že jde o terminologii, která pomáhá popsat vztah mezi gluony a hmotou. )

Tu a tam

S dostupnými daty výzkumníci potřebovali pouze model chování gluonů, aby dali svá zjištění do souvislosti s tím, co se děje uvnitř protonu. Fyzici bohužel vytvořili několik různých modelů, opět proto, že přímé počítání čehokoli zahrnujícího kvantovou chromodynamiku je na současném hardwaru téměř nemožné. Dostupné modely jsou tedy většinou alternativní způsoby vytváření aproximací, které umožňují počítačům vytvářet něco užitečného.

Z velké části poskytla řada odhadů poměrně podobné odpovědi, i když se to trochu zhoršilo s fotony s nižší energií, které mají sotva dost energie na to, aby se přeměnily na něco s hmotností J/m. Různé přístupy však poskytují hrubou shodu na tom, kde se nachází hmotnost protonu, a tedy i hmotnostní poloměr protonu.

Na výsledku je úžasné, že se liší od poloměru náboje protonu. I když existují určité rozdíly mezi různými metodami měření poloměru náboje (ačkoli), rozdíly jsou relativně malé. A všechna měření oddělují poloměr náboje od poloměru hmoty. Protože náboj je produktem kvarků, ukazuje to na to, že tyto částice pravidelně obíhají mimo oblast navštěvovanou gluony, které jsou zaneprázdněny tím, že drží celý proton pohromadě.

Ale Justine řekla, že existují náznaky, že situace je složitější. Reakce, které vytvořily mezony J, vyžadovaly výměnu gluonů, které měly své spiny vyrovnané. Je také možné vyměnit gluony, které mají opačné spiny, nazývané skalární interakce. A existují určité náznaky, že standardní poloměr je také jiný.

„Měl bys očekávat, že uvidíš nějaké standardní poloměry,“ řekl Justin. „Vidíme něco obrovského. Je to mnohem větší – jako toto velké halo obíhající kolem protonu.“

Jednou výhradou je, že Joosten řekl, že zjištění jsou velmi předběžná: „Tohle není něco, co jsme našli, je to něco, co bychom rádi prozkoumali v budoucích testech.“ Druhým je, že jeho použití termínu „obrovský“ je relativní; To vše se děje uvnitř subatomární částice.

Pokud však výsledky vydrží, naznačují, že proton má alespoň tři různé poloměry – náboj, hmotnost a měřidlo – a všechny jsou různé délky.

A tady by analogie s jízdními koly mohla opět začít dávat smysl. Koneckonců neočekáváte, že těžiště kola bude na stejném místě jako jeho pedály nebo kde se vyskytuje řízení. Ačkoli se jedná o jediný organismus, jeho složená povaha znamená, že tyto různé aspekty jeho chování nemusí být nutně společné místní. Zdá se, že totéž platí o protonu.

Příroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05730-4 (o DOI).