Inde i protonen er den 'mest komplicerede ting, du kunne forestille dig'

Mere end et århundrede efter Ernest Rutherford opdagede den positivt ladede partikel i hjertet af hvert atom, kæmper fysikere stadig for fuldt ud at forstå protonen.

Gymnasielærere i fysik beskriver dem som egenskabsløse bolde med hver én enhed af positiv elektrisk ladning - de perfekte folier til de negativt ladede elektroner, der summer omkring dem. Universitetsstuderende lærer, at bolden faktisk er et bundt af tre elementære partikler kaldet kvarker. Men årtiers forskning har afsløret en dybere sandhed, en der er for bizar til fuldt ud at fange med ord eller billeder.

"Dette er den mest komplicerede ting, du overhovedet kunne forestille dig," sagde Mike Williams, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. "Faktisk kan du ikke engang forestille dig, hvor kompliceret det er."

Protonen er et kvantemekanisk objekt, der eksisterer som en tåge af sandsynligheder, indtil et eksperiment tvinger det til at tage en konkret form. Og dens former adskiller sig drastisk afhængigt af, hvordan forskere opretter deres eksperiment. At forbinde partiklens mange ansigter har været generationers arbejde. "Vi er ligesom lige begyndt at forstå dette system på en komplet måde," sagde Richard Milner, en kernefysiker ved MIT.

Mens jagten fortsætter, vælter protonens hemmeligheder ud. Senest, a monumental dataanalyse offentliggjort i august fandt ud af, at protonen indeholder spor af partikler kaldet charme-kvarker, der er tungere end selve protonen.

Protonen "har været ydmygende for mennesker," sagde Williams. "Hver gang du tror, ​​du har styr på det, kaster det dig nogle kurvekugler."

For nylig satte Milner sammen med Rolf Ent på Jefferson Lab, MIT-filmskaberne Chris Boebel og Joe McMaster og animatoren James LaPlante sig for at transformere et sæt mystiske plots, der kompilerer resultaterne af hundredvis af eksperimenter til en række animationer af formen. -skiftende proton. Vi har inkorporeret deres animationer i vores eget forsøg på at afsløre dens hemmeligheder.

Revner Åbn protonen

Beviset for, at protonen indeholder mængder, kom fra Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i 1967. I tidligere eksperimenter havde forskere slynget elektroner på den og set dem rikochettere som billardkugler. Men SLAC kunne kaste elektroner mere kraftfuldt, og forskerne så, at de vendte anderledes tilbage. Elektronerne ramte protonen hårdt nok til at knuse den - en proces kaldet dyb uelastisk spredning - og vendte tilbage fra punktlignende skår af protonen kaldet kvarker. "Det var det første bevis på, at kvarker faktisk eksisterer," sagde Xiaochao Zheng, en fysiker ved University of Virginia.

Efter SLAC's opdagelse, som vandt Nobelprisen i fysik i 1990, intensiveredes undersøgelsen af ​​protonen. Fysikere har udført hundredvis af spredningsforsøg til dato. De udleder forskellige aspekter af objektets indre ved at justere, hvor kraftigt de bombarderer det og ved at vælge, hvilke spredte partikler de samler i kølvandet.

Ved at bruge elektroner med højere energi kan fysikere fjerne finere træk ved målprotonen. På denne måde sætter elektronenergien den maksimale opløsningsevne for et dybt uelastisk spredningseksperiment. Kraftigere partikelkollidere giver et skarpere billede af protonen.

Kollidere med højere energi producerer også en bredere vifte af kollisionsresultater, hvilket lader forskere vælge forskellige delmængder af de udgående elektroner til at analysere. Denne fleksibilitet har vist sig at være nøglen til at forstå kvarker, som bekymrer sig om inde i protonen med forskelligt momentum.

Ved at måle energien og banen for hver spredt elektron kan forskere se, om den har set en kvark, der bærer en stor del af protonens samlede momentum, eller blot en lille smule. Gennem gentagne kollisioner kan de tage noget som en folketælling - afgøre, om protonens momentum for det meste er bundet op i nogle få kvarker eller fordelt på mange.

Selv SLAC's protonopdelingskollisioner var blide efter nutidens standarder. I disse spredningsbegivenheder skød elektroner ofte ud på måder, der tyder på, at de var styrtet ind i kvarker, der bærer en tredjedel af protonens samlede momentum. Fundet matchede en teori fra Murray Gell-Mann og George Zweig, som i 1964 påstod, at en proton består af tre kvarker.

Gell-Mann og Zweigs "kvarkmodel" er stadig en elegant måde at forestille sig protonen på. Den har to "op"-kvarker med elektriske ladninger på +2/3 hver og en "ned"-kvark med en ladning på -1/3, for en samlet protonladning på +1.

Men kvarkmodellen er en overforenkling, der har alvorlige mangler.

Det fejler, for eksempel, når det kommer til en protons spin, en kvanteegenskab analog med vinkelmomentum. Protonen har en halv enhed af spin, ligesom hver af dens op- og ned-kvarker. Fysikere antog oprindeligt, at - i en beregning, der afspejler den simple ladningsaritmetik - skal halvenhederne af de to op-kvarker minus den for ned-kvarken svare til en halv enhed for protonen som helhed. Men i 1988, European Muon Collaboration rapporteret at kvarkspindene summer til langt mindre end halvdelen. Tilsvarende udgør masserne af to op-kvarker og en ned-kvark kun omkring 1 % af protonens samlede masse. Disse underskud drev hjem et punkt, fysikere allerede var ved at forstå: Protonen er meget mere end tre kvarker.

Meget mere end tre kvarker

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), som fungerede i Hamborg, Tyskland, fra 1992 til 2007, slog elektroner ind i protoner omkring tusind gange kraftigere end SLAC havde. I HERA-eksperimenter kunne fysikere udvælge elektroner, der var hoppet af fra kvarker med ekstremt lavt momentum, inklusive dem, der bærer så lidt som 0.005% af protonens samlede momentum. Og opdage dem, de gjorde: HERA's elektroner vendte tilbage fra en malstrøm af lav-momentum kvarker og deres antistof modstykker, antikvarker.

Resultaterne bekræftede en sofistikeret og besynderlig teori, der på det tidspunkt havde erstattet Gell-Mann og Zweigs kvarkmodel. Udviklet i 1970'erne var det en kvanteteori om den "stærke kraft", der virker mellem kvarker. Teorien beskriver kvarker som værende forbundet med kraftbærende partikler kaldet gluoner. Hver kvark og hver gluon har en af ​​tre typer "farve" ladning, mærket rød, grøn og blå; disse farveladede partikler trækker naturligt i hinanden og danner en gruppe - såsom en proton - hvis farver lægger op til en neutral hvid. Den farverige teori blev kendt som kvantekromodynamik eller QCD.

Ifølge QCD kan gluoner opfange øjeblikkelige spidser af energi. Med denne energi deler en gluon sig i en kvark og en antikvark - hver med en lille smule momentum - før parret tilintetgøres og forsvinder. Mindre energispidser producerer kvarkpar med lavere momentum, som lever kortere liv. Det er dette "hav" af gluoner, kvarker og antikvarker, som HERA, med sin større følsomhed over for partikler med lavere momentum, opdagede førstehånds.

HERA opfangede også hints om, hvordan protonen ville se ud i mere kraftfulde kollidere. Da fysikere justerede HERA for at lede efter kvarker med lavere momentum, dukkede disse kvarker - som kommer fra gluoner - op i større og større antal. Resultaterne antydede, at i kollisioner med endnu højere energi ville protonen fremstå som en sky, der næsten udelukkende består af gluoner.

Gluon mælkebøtten er præcis, hvad QCD forudsiger. "HERA-dataene er et direkte eksperimentelt bevis på, at QCD beskriver naturen," sagde Milner.

Men den unge teoris sejr kom med en bitter pille: Mens QCD smukt beskrev dansen af ​​kortlivede kvarker og gluoner afsløret af HERAs ekstreme kollisioner, er teorien ubrugelig til at forstå de tre langvarige kvarker set i SLACs blide bombardement.

QCD's forudsigelser er kun nemme at forstå, når den stærke kraft er relativt svag. Og den stærke kraft svækkes kun, når kvarker er ekstremt tæt på hinanden, da de er i kortvarige kvark-antikvark-par. Frank Wilczek, David Gross og David Politzer identificerede dette afgørende træk ved QCD i 1973 og vandt Nobelprisen for det 31 år senere.

Men for blidere kollisioner som SLAC'er, hvor protonen fungerer som tre kvarker, der gensidigt holder deres afstand, trækker disse kvarker kraftigt nok i hinanden til, at QCD-beregninger bliver umulige. Opgaven med at afmystificere tre-kvark-synet på protonen er således i vid udstrækning faldet på eksperimentelister. (Forskere, der kører "digitale eksperimenter", hvor QCD-forudsigelser simuleres på supercomputere, har også lavet centrale bidrag.) Og det er i dette lavopløselige billede, at fysikere bliver ved med at finde overraskelser.

En charmerende ny udsigt

For nylig har et hold ledet af Juan Rojo fra National Institute for Subatomic Physics i Holland og VU University Amsterdam analyserede mere end 5,000 protonsnapshots taget i løbet af de sidste 50 år, ved at bruge maskinlæring til at udlede bevægelserne af kvarker og gluoner inde i protonen på en måde, der omgår teoretisk gætværk.

 Den nye undersøgelse opfangede en baggrundssløring i de billeder, der var sluppet forbi forskere. I relativt bløde kollisioner, der lige knap bryder protonen op, var det meste af momentum låst inde i de sædvanlige tre kvarker: to ups og en down. Men en lille mængde momentum så ud til at komme fra en "charme" kvark og charme-antikvark - kolossale elementarpartikler, der hver opvejer hele protonen med mere end en tredjedel.

Kortlivede charme dukker ofte op i "kvarkehavet" af protonen (gluoner kan opdeles i seks forskellige kvarktyper, hvis de har nok energi). Men resultaterne fra Rojo og kolleger tyder på, at charms har en mere permanent tilstedeværelse, hvilket gør dem sporbare ved blidere kollisioner. I disse kollisioner fremstår protonen som en kvanteblanding eller superposition af flere tilstande: En elektron støder normalt på de tre letvægtskvarker. Men den vil af og til støde på et sjældnere "molekyle" af fem kvarker, såsom en op-, ned- og charme-kvark grupperet på den ene side og en op-kvark og charme-antikvark på den anden.

Sådanne subtile detaljer om protonens makeup kan vise sig at være konsekvens. Ved Large Hadron Collider søger fysikere efter nye elementarpartikler ved at slå højhastighedsprotoner sammen og se, hvad der springer ud; for at forstå resultaterne skal forskerne vide, hvad der er i en proton til at begynde med. Den lejlighedsvise tilsynekomst af kæmpe charme kvarker ville smide oddsene fra sig at lave mere eksotiske partikler.

Og når protoner kaldet kosmiske stråler suser hertil fra det ydre rum og slår ind i protoner i Jordens atmosfære, ville charmekvarker, der dukker op i de rigtige øjeblikke, oversvømme Jorden med ekstra-energiske neutrinoer, beregnede forskere i 2021. Disse kunne forvirre iagttagere søgning for højenergi-neutrinoer, der kommer fra hele kosmos.

Rojos samarbejde planlægger at fortsætte med at udforske protonen ved at søge efter en ubalance mellem charme-kvarker og antikvarker. Og tungere bestanddele, såsom topkvarken, kunne gøre endnu sjældnere og sværere at opdage.

Næste generations eksperimenter vil søge efter endnu flere ukendte funktioner. Fysikere ved Brookhaven National Laboratory håber at fyre op for Electron-Ion Collider i 2030'erne og fortsætte, hvor HERA slap, ved at tage snapshots i højere opløsning, der vil muliggøre de første 3D-rekonstruktioner af protonen. EIC vil også bruge roterende elektroner til at skabe detaljerede kort over spins af de interne kvarker og gluoner, ligesom SLAC og HERA kortlagde deres momentum. Dette skulle hjælpe forskerne til endelig at fastslå oprindelsen af ​​protonens spin, og til at tage fat på andre grundlæggende spørgsmål om den forvirrende partikel, der udgør det meste af vores hverdagsverden.