Im Inneren des Protons das „Komplizierteste, was man sich vorstellen kann“

Mehr als ein Jahrhundert, nachdem Ernest Rutherford das positiv geladene Teilchen im Herzen jedes Atoms entdeckt hat, kämpfen Physiker immer noch darum, das Proton vollständig zu verstehen.

Physiklehrer beschreiben sie als formlose Bälle mit jeweils einer Einheit positiver elektrischer Ladung – die perfekten Folien für die negativ geladenen Elektronen, die um sie herumschwirren. College-Studenten lernen, dass der Ball eigentlich ein Bündel aus drei Elementarteilchen ist, die Quarks genannt werden. Aber jahrzehntelange Forschung hat eine tiefere Wahrheit ans Licht gebracht, die zu bizarr ist, um sie vollständig in Worte oder Bilder zu fassen.

„Das ist das Komplizierteste, was man sich vorstellen kann“, sagte er Mike Williams, Physiker am Massachusetts Institute of Technology. „Sie können sich gar nicht vorstellen, wie kompliziert das ist.“

Das Proton ist ein quantenmechanisches Objekt, das als Nebel von Wahrscheinlichkeiten existiert, bis ein Experiment es zwingt, eine konkrete Form anzunehmen. Und seine Formen unterscheiden sich drastisch, je nachdem, wie die Forscher ihr Experiment aufbauen. Die Verbindung der vielen Gesichter des Partikels war die Arbeit von Generationen. „Wir fangen gerade erst an, dieses System vollständig zu verstehen“, sagte er Richard Müller, Kernphysiker am MIT.

Während die Verfolgung weitergeht, kommen die Geheimnisse des Protons immer wieder ans Licht. Zuletzt ein Monumentale Datenanalyse Die im August veröffentlichte Studie ergab, dass das Proton Spuren von Teilchen enthält, die Charm-Quarks genannt werden und schwerer als das Proton selbst sind.

Das Proton „war für die Menschen demütigend“, sagte Williams. „Jedes Mal, wenn du denkst, du hättest es irgendwie im Griff, wirft es dir ein paar Kurvenbälle zu.“

Kürzlich machte sich Milner zusammen mit Rolf Ent vom Jefferson Lab, den MIT-Filmemachern Chris Boebel und Joe McMaster sowie dem Animator James LaPlante daran, eine Reihe geheimnisvoller Handlungen, die die Ergebnisse von Hunderten von Experimenten zusammenfassen, in eine Reihe von Animationen der Form umzuwandeln - Proton verschieben. Wir haben ihre Animationen in unseren eigenen Versuch integriert, ihre Geheimnisse zu lüften.

Aufbrechen des Protons

Der Beweis, dass das Proton eine Vielzahl enthält, kam 1967 vom Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). In früheren Experimenten hatten Forscher es mit Elektronen beworfen und beobachtet, wie sie wie Billardkugeln abprallten. Aber SLAC konnte Elektronen stärker schleudern, und die Forscher sahen, dass sie unterschiedlich zurückprallten. Die Elektronen trafen hart genug auf das Proton, um es zu zerbrechen – ein Prozess, der als tiefe inelastische Streuung bezeichnet wird – und prallten von punktförmigen Bruchstücken des Protons, den sogenannten Quarks, ab. „Das war der erste Beweis dafür, dass Quarks tatsächlich existieren“, sagte er Xiaochao Zheng, Physiker an der University of Virginia.

Nach der Entdeckung von SLAC, die 1990 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, wurde die Untersuchung des Protons intensiviert. Bis heute haben Physiker Hunderte von Streuexperimenten durchgeführt. Sie leiten verschiedene Aspekte des Inneren des Objekts ab, indem sie anpassen, wie stark sie es bombardieren, und indem sie auswählen, welche verstreuten Partikel sie in der Folge sammeln.

Durch die Verwendung von Elektronen mit höherer Energie können Physiker feinere Merkmale des Zielprotons aufspüren. Auf diese Weise bestimmt die Elektronenenergie das maximale Auflösungsvermögen eines tiefinelastischen Streuexperiments. Leistungsstärkere Teilchenbeschleuniger bieten eine schärfere Sicht auf das Proton.

Collider mit höherer Energie erzeugen auch ein breiteres Spektrum an Kollisionsergebnissen, sodass Forscher verschiedene Teilmengen der ausgehenden Elektronen zur Analyse auswählen können. Diese Flexibilität hat sich als Schlüssel zum Verständnis von Quarks erwiesen, die im Inneren des Protons mit unterschiedlichen Impulsen umherwirbeln.

Durch Messen der Energie und Flugbahn jedes gestreuten Elektrons können die Forscher feststellen, ob es von einem Quark abprallte, das einen großen Teil des Gesamtimpulses des Protons trug, oder nur ein kleines bisschen. Durch wiederholte Kollisionen können sie so etwas wie eine Zählung durchführen – bestimmen, ob der Impuls des Protons hauptsächlich in wenigen Quarks gebunden oder auf viele verteilt ist.

Sogar die protonenspaltenden Kollisionen von SLAC waren nach heutigen Maßstäben sanft. Bei diesen Streuereignissen schossen Elektronen oft auf eine Weise heraus, die darauf hindeutete, dass sie mit Quarks zusammengestoßen waren, die ein Drittel des Gesamtimpulses des Protons trugen. Der Befund stimmte mit einer Theorie von Murray Gell-Mann und George Zweig überein, die 1964 postulierten, dass ein Proton aus drei Quarks besteht.

Das „Quark-Modell“ von Gell-Mann und Zweig bleibt eine elegante Art, sich das Proton vorzustellen. Es hat zwei „Up“-Quarks mit einer elektrischen Ladung von jeweils +2/3 und ein „Down“-Quark mit einer Ladung von −1/3, was einer Gesamtladung der Protonen von +1 entspricht.

Aber das Quark-Modell ist eine zu starke Vereinfachung, die schwerwiegende Mängel aufweist.

Sie versagt beispielsweise beim Spin eines Protons, einer Quanteneigenschaft analog zum Drehimpuls. Das Proton hat eine halbe Spineinheit, ebenso wie jedes seiner Up- und Down-Quarks. Physiker nahmen zunächst an, dass – in einer Rechnung, die der einfachen Ladungsarithmetik nachempfunden ist – die halbe Einheit der beiden up-Quarks abzüglich der des down-Quarks eine halbe Einheit für das gesamte Proton ergeben müsste. Aber 1988 die European Muon Collaboration berichtet dass sich die Quarkspins zu weit weniger als der Hälfte addieren. Ebenso machen die Massen von zwei Up-Quarks und einem Down-Quark nur etwa 1 % der Gesamtmasse des Protons aus. Diese Defizite machten einen Punkt deutlich, den Physiker bereits zu schätzen lernten: Das Proton ist viel mehr als drei Quarks.

Viel mehr als drei Quarks

Der Hadron-Elektronen-Ringbeschleuniger (HERA), der von 1992 bis 2007 in Hamburg, Deutschland, betrieben wurde, schlug Elektronen etwa tausendmal stärker auf Protonen als SLAC. In HERA-Experimenten konnten Physiker Elektronen auswählen, die von Quarks mit extrem niedrigem Impuls abprallten, darunter solche, die nur 0.005 % des Gesamtimpulses des Protons tragen. Und sie entdeckten sie: HERAs Elektronen prallten von einem Strudel aus Quarks mit niedrigem Impuls und ihren Gegenstücken aus Antimaterie, den Antiquarks, ab.

Die Ergebnisse bestätigten eine ausgeklügelte und ausgefallene Theorie, die bis dahin das Quark-Modell von Gell-Mann und Zweig ersetzt hatte. In den 1970er Jahren entwickelt, war es eine Quantentheorie der „starken Kraft“, die zwischen Quarks wirkt. Die Theorie beschreibt, dass Quarks durch kraftübertragende Teilchen, die Gluonen genannt werden, zusammengebunden sind. Jedes Quark und jedes Gluon hat eine von drei Arten von „Farb“-Ladungen, die mit Rot, Grün und Blau gekennzeichnet sind; Diese farbgeladenen Teilchen ziehen natürlich aneinander und bilden eine Gruppe – wie ein Proton – deren Farben sich zu einem neutralen Weiß addieren. Die farbenfrohe Theorie wurde als Quantenchromodynamik oder QCD bekannt.

Laut QCD können Gluonen kurzzeitige Energiespitzen aufnehmen. Mit dieser Energie spaltet sich ein Gluon in ein Quark und ein Antiquark auf – jedes trägt einen winzigen Impuls – bevor das Paar vernichtet und verschwindet. Kleinere Energiespitzen erzeugen Quarkpaare mit geringerem Impuls, die kürzer leben. Es ist dieses „Meer“ aus Gluonen, Quarks und Antiquarks, das HERA mit seiner größeren Empfindlichkeit gegenüber Teilchen mit niedrigerem Impuls aus erster Hand entdeckte.

HERA nahm auch Hinweise darauf auf, wie das Proton in stärkeren Beschleunigern aussehen würde. Als die Physiker HERA so anpassten, dass es nach Quarks mit niedrigerem Impuls suchte, tauchten diese Quarks – die von Gluonen stammen – in immer größerer Zahl auf. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das Proton bei Kollisionen mit noch höherer Energie als eine Wolke erscheinen würde, die fast ausschließlich aus Gluonen besteht.

Der Gluon-Löwenzahn ist genau das, was QCD vorhersagt. „Die HERA-Daten sind ein direkter experimenteller Beweis dafür, dass QCD die Natur beschreibt“, sagte Milner.

Aber der Sieg der jungen Theorie kam mit einer bitteren Pille: Während QCD den Tanz von kurzlebigen Quarks und Gluonen, der durch HERAs extreme Kollisionen offenbart wurde, wunderschön beschrieb, ist die Theorie nutzlos, um die drei langlebigen Quarks zu verstehen, die in SLACs sanftem Bombardement zu sehen sind.

Die Vorhersagen von QCD sind nur dann leicht zu verstehen, wenn die starke Kraft relativ schwach ist. Und die starke Kraft schwächt sich nur ab, wenn Quarks extrem nahe beieinander liegen, wie sie es in kurzlebigen Quark-Antiquark-Paaren sind. Frank Wilczek, David Gross und David Politzer identifizierten dieses charakteristische Merkmal von QCD im Jahr 1973 und gewannen dafür 31 Jahre später den Nobelpreis.

Aber bei sanfteren Kollisionen wie der von SLAC, bei der das Proton wie drei Quarks wirkt, die voneinander Abstand halten, ziehen diese Quarks so stark aneinander, dass QCD-Berechnungen unmöglich werden. Daher ist die Aufgabe, die Drei-Quark-Ansicht des Protons weiter zu entmystifizieren, größtenteils den Experimentatoren zugefallen. (Forscher, die „digitale Experimente“ durchführen, bei denen QCD-Vorhersagen auf Supercomputern simuliert werden, haben ebenfalls gemacht Schlüsselbeiträge.) Und in diesem Bild mit niedriger Auflösung finden Physiker immer wieder Überraschungen.

Eine bezaubernde neue Ansicht

Kürzlich führte ein Team von Juan Rojo des National Institute for Subatomic Physics in den Niederlanden und der VU University Amsterdam analysierten mehr als 5,000 Schnappschüsse von Protonen, die in den letzten 50 Jahren aufgenommen wurden, und nutzten maschinelles Lernen, um die Bewegungen von Quarks und Gluonen im Inneren des Protons auf eine Weise abzuleiten, die theoretische Vermutungen umgeht.

 Die neue Untersuchung hat eine Hintergrundunschärfe in den Bildern festgestellt, die früheren Forschern entgangen war. Bei relativ sanften Kollisionen, bei denen das Proton gerade so aufgebrochen wurde, war der größte Teil des Impulses in den üblichen drei Quarks eingeschlossen: zwei Höhen und ein Tiefen. Aber ein kleiner Impuls schien von einem „Charm“-Quark und einem Charm-Antiquark zu kommen – kolossale Elementarteilchen, die jeweils das gesamte Proton um mehr als ein Drittel überwiegen.

Kurzlebige Reize zeigen sich häufig in der „Quarkmeer“-Ansicht des Protons (Gluonen können sich in sechs verschiedene Quarktypen aufspalten, wenn sie genug Energie haben). Aber die Ergebnisse von Rojo und Kollegen deuten darauf hin, dass die Reize eine dauerhaftere Präsenz haben, wodurch sie bei sanfteren Kollisionen nachweisbar sind. Bei diesen Kollisionen erscheint das Proton als Quantenmischung oder Überlagerung mehrerer Zustände: Ein Elektron trifft normalerweise auf die drei leichten Quarks. Gelegentlich trifft es jedoch auf ein selteneres „Molekül“ aus fünf Quarks, z. B. ein Up-, Down- und Charm-Quark, die auf der einen Seite gruppiert sind, und ein Up-Quark und ein Charm-Antiquark auf der anderen Seite.

Solche subtilen Details über die Zusammensetzung des Protons könnten sich als folgenreich erweisen. Am Large Hadron Collider suchen Physiker nach neuen Elementarteilchen, indem sie Hochgeschwindigkeitsprotonen zusammenschlagen und sehen, was herausspringt; Um die Ergebnisse zu verstehen, müssen die Forscher zunächst wissen, was in einem Proton steckt. Das gelegentliche Erscheinen von riesigen Charm-Quarks würde werfen Sie die Chancen ab exotischere Partikel herzustellen.

Und wenn Protonen, sogenannte kosmische Strahlen, aus dem Weltraum hierher rasen und auf Protonen in der Erdatmosphäre prallen, würden im richtigen Moment auftauchende Charm-Quarks die Erde überschütten Extraenergetische Neutrinos, errechneten Forscher im Jahr 2021. Diese könnten Beobachter verwirren Suche für hochenergetische Neutrinos aus dem ganzen Kosmos.

Rojos Kollaboration plant, die Erforschung des Protons fortzusetzen, indem nach einem Ungleichgewicht zwischen Charm-Quarks und Antiquarks gesucht wird. Und schwerere Bestandteile wie das Top-Quark könnten noch seltener und schwerer zu erkennen sein.

Experimente der nächsten Generation werden nach noch mehr unbekannten Merkmalen suchen. Physiker des Brookhaven National Laboratory hoffen, den Electron-Ion Collider in den 2030er Jahren hochfahren und dort weitermachen zu können, wo HERA aufgehört hat, indem sie Schnappschüsse mit höherer Auflösung machen, die die ersten 3D-Rekonstruktionen des Protons ermöglichen werden. Das EIC wird auch rotierende Elektronen verwenden, um detaillierte Karten der Spins der internen Quarks und Gluonen zu erstellen, so wie SLAC und HERA ihre Impulse kartiert haben. Dies sollte den Forschern dabei helfen, endlich den Ursprung des Protonspins zu bestimmen und andere grundlegende Fragen zu dem verblüffenden Teilchen zu beantworten, das den größten Teil unserer Alltagswelt ausmacht.