در داخل پروتون، "پیچیده ترین چیزی که می توانید تصور کنید"

بیش از یک قرن پس از اینکه ارنست رادرفورد ذره ای با بار مثبت را در قلب هر اتم کشف کرد، فیزیکدانان هنوز در تلاش برای درک کامل پروتون هستند.

معلمان فیزیک دبیرستان آنها را به عنوان توپ های بی خاصیت با یک واحد بار الکتریکی مثبت توصیف می کنند - فویل های عالی برای الکترون های با بار منفی که در اطراف آنها وزوز می کنند. دانشجویان کالج می آموزند که توپ در واقع بسته ای از سه ذره بنیادی به نام کوارک است. اما دهه‌ها تحقیق حقیقتی عمیق‌تر را آشکار کرده است، حقیقتی که خیلی عجیب است که نمی‌توان آن را به طور کامل با کلمات یا تصاویر ثبت کرد.

گفت: "این پیچیده ترین چیزی است که می توانید تصور کنید." مایک ویلیامز، فیزیکدان موسسه فناوری ماساچوست. "در واقع، شما حتی نمی توانید تصور کنید که چقدر پیچیده است."

پروتون یک جسم مکانیکی کوانتومی است که تا زمانی که آزمایشی آن را مجبور به شکل انضمامی کند به صورت مه احتمالات وجود دارد. و اشکال آن بسته به نحوه تنظیم آزمایش خود توسط محققان به شدت متفاوت است. اتصال چهره های متعدد این ذره کار نسل ها بوده است. گفت: "ما تازه شروع به درک کامل این سیستم کرده ایم." ریچارد میلنر، یک فیزیکدان هسته ای در MIT.

همانطور که تعقیب ادامه دارد، اسرار پروتون همچنان در حال فروپاشی است. اخیراً، الف تجزیه و تحلیل داده های تاریخی در ماه آگوست منتشر شد و نشان داد که پروتون حاوی رگه هایی از ذرات به نام کوارک های جذاب است که از خود پروتون سنگین تر هستند.

ویلیامز گفت که پروتون "برای انسان ها فروتن بوده است." "هر بار که فکر می کنید یک دسته روی آن دارید، چند توپ منحنی به شما پرتاب می کند."

اخیراً، میلنر به همراه رولف انت در آزمایشگاه جفرسون، فیلمسازان MIT، کریس بوبل و جو مک مستر، و انیماتور جیمز لاپلانت، تصمیم گرفتند مجموعه‌ای از توطئه‌های مخفی را که نتایج صدها آزمایش را به مجموعه‌ای از انیمیشن‌های شکل تبدیل می‌کنند، تبدیل کنند. -تغییر پروتون ما انیمیشن های آن ها را در تلاش خود برای فاش کردن اسرار آن گنجانده ایم.

شکستن پروتون را باز کنید

اثبات اینکه پروتون حاوی مقادیر زیادی است از مرکز شتابدهنده خطی استانفورد (SLAC) در سال 1967 بدست آمد. در آزمایشات قبلی، محققان آن را با الکترون پرتاب کردند و آنها را مانند توپ های بیلیارد کمانه تماشا کردند. اما SLAC می‌توانست الکترون‌ها را با قدرت بیشتری پرتاب کند، و محققان دیدند که آنها به‌صورت متفاوتی برگشتند. الکترون ها به اندازه کافی به پروتون برخورد می کردند تا آن را در هم بشکنند - فرآیندی که پراکندگی غیرالاستیک عمیق نامیده می شود - و از تکه های نقطه مانندی از پروتون به نام کوارک باز می گشتند. گفت: "این اولین شواهدی بود که کوارک ها واقعا وجود دارند." شیائوچائو ژنگ، فیزیکدان دانشگاه ویرجینیا.

پس از کشف SLAC که برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1990 شد، بررسی دقیق پروتون تشدید شد. فیزیکدانان تا به امروز صدها آزمایش پراکندگی انجام داده اند. آنها با تنظیم میزان شدت بمباران جسم و انتخاب ذرات پراکنده که در عواقب آن جمع آوری می کنند، جنبه های مختلف درونی جسم را استنباط می کنند.

با استفاده از الکترون‌های با انرژی بالاتر، فیزیکدانان می‌توانند ویژگی‌های دقیق‌تر پروتون هدف را کشف کنند. به این ترتیب، انرژی الکترون حداکثر قدرت تفکیک یک آزمایش پراکندگی عمیق غیرکشسان را تعیین می کند. برخورددهنده‌های ذرات قوی‌تر، دید واضح‌تری از پروتون ارائه می‌دهند.

برخورددهنده های پرانرژی نیز آرایه وسیع تری از نتایج برخورد ایجاد می کنند و به محققان اجازه می دهند زیر مجموعه های مختلف الکترون های خروجی را برای تجزیه و تحلیل انتخاب کنند. این انعطاف‌پذیری کلیدی برای درک کوارک‌هایی است که به درون پروتون با مقادیر مختلف تکانه اهمیت می‌دهند.

با اندازه‌گیری انرژی و مسیر حرکت هر الکترون پراکنده، محققان می‌توانند بفهمند که آیا کوارکی که حامل تکه‌ای بزرگ از تکانه کل پروتون است، نگاه کرده است یا فقط یک ذره کوچک. از طریق برخوردهای مکرر، آن‌ها می‌توانند چیزی شبیه به یک سرشماری انجام دهند - تعیین اینکه آیا تکانه پروتون عمدتاً در چند کوارک محدود است یا در بسیاری از آنها توزیع شده است.

حتی برخوردهای شکاف پروتون SLAC با استانداردهای امروزی ملایم بودند. در آن رویدادهای پراکنده، الکترون‌ها اغلب به روش‌هایی پرتاب می‌شوند که نشان می‌دهد با کوارک‌هایی برخورد کرده‌اند که یک سوم تکانه کل پروتون را حمل می‌کنند. این یافته با نظریه موری گل مان و جورج تسوایگ مطابقت داشت که در سال 1964 فرض کردند که یک پروتون از سه کوارک تشکیل شده است.

"مدل کوارک" ژل مان و تسوایگ روشی زیبا برای تصور پروتون باقی مانده است. دارای دو کوارک "بالا" با بارهای الکتریکی 2/3 + و یک کوارک "پایین" با بار 1/3-، برای بار کل پروتون +1.

اما مدل کوارک یک ساده سازی بیش از حد است که دارای کاستی های جدی است.

به عنوان مثال، وقتی صحبت از اسپین پروتون می شود، یک ویژگی کوانتومی مشابه تکانه زاویه ای، از کار می افتد. پروتون دارای نیم واحد اسپین است، مانند هر کوارک بالا و پایین آن. فیزیکدانان در ابتدا تصور می‌کردند که - در محاسباتی که محاسبات بار ساده را تکرار می‌کند - نیم واحدهای دو کوارک بالا منهای کوارک پایین باید معادل نصف واحد برای کل پروتون باشد. اما در سال 1988، همکاری اروپایی میون گزارش که مجموع اسپین های کوارک بسیار کمتر از یک دوم است. به طور مشابه، جرم دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تنها حدود 1٪ از جرم کل پروتون را تشکیل می دهند. این کاستی‌ها نقطه‌ای را به خانه می‌آورد که فیزیکدانان قبلاً به آن پی می‌بردند: پروتون بسیار بیشتر از سه کوارک است.

خیلی بیشتر از سه کوارک

شتاب‌دهنده حلقه هادرون-الکترون (HERA) که از سال 1992 تا 2007 در هامبورگ آلمان کار می‌کرد، تقریباً هزار برابر بیشتر از SLAC، الکترون‌ها را به پروتون‌ها برخورد کرد. در آزمایش‌های HERA، فیزیکدانان می‌توانستند الکترون‌هایی را انتخاب کنند که از کوارک‌هایی با تکانه بسیار پایین، از جمله کوارک‌هایی که کمتر از 0.005 درصد از تکانه کل پروتون را حمل می‌کردند، منعکس شده بودند. و آنها را شناسایی کنید: الکترون‌های HERA از گردابی از کوارک‌های با تکانه پایین و همتایان ضد ماده‌شان، آنتی‌کوارک‌ها، برگشتند.

نتایج یک نظریه پیچیده و عجیب را تایید کرد که تا آن زمان جایگزین مدل کوارک ژل مان و زوایگ شده بود. این نظریه که در دهه 1970 توسعه یافت، یک نظریه کوانتومی در مورد "نیروی قوی" بود که بین کوارک ها عمل می کند. این تئوری کوارک ها را به صورت طناب زدن توسط ذرات حامل نیرو به نام گلوئون توصیف می کند. هر کوارک و هر گلوئون دارای یکی از سه نوع بار "رنگی" است که با برچسب قرمز، سبز و آبی مشخص شده است. این ذرات باردار رنگی به طور طبیعی یکدیگر را می کشند و گروهی - مانند یک پروتون - را تشکیل می دهند که رنگ آنها به یک سفید خنثی می رسد. این نظریه رنگارنگ به عنوان کرومودینامیک کوانتومی یا QCD شناخته شد.

طبق QCD، گلوئون ها می توانند انرژی لحظه ای را جذب کنند. با این انرژی، یک گلوئون به یک کوارک و یک آنتی کوارک تقسیم می‌شود - هر کدام دارای تکانه کوچکی هستند - قبل از اینکه این جفت از بین برود و ناپدید شود. سنبله های انرژی کوچکتر جفت های کوارکی با تکانه کمتر تولید می کنند که عمر کوتاه تری دارند. این «دریایی» از گلوئون‌ها، کوارک‌ها و آنتی‌کوارک‌ها است که HERA، با حساسیت بیشتر خود به ذرات با تکانه پایین‌تر، از نزدیک آن را شناسایی کرد.

HERA همچنین نکاتی در مورد اینکه پروتون در برخورددهنده‌های قوی‌تر چگونه خواهد بود، دریافت کرد. همانطور که فیزیکدانان HERA را برای جست‌وجوی کوارک‌های با تکانه پایین تنظیم کردند، این کوارک‌ها - که از گلوئون‌ها می‌آیند - به تعداد بیشتر و بیشتر ظاهر شدند. نتایج نشان داد که در برخوردهای حتی با انرژی بالاتر، پروتون به صورت ابری ظاهر می‌شود که تقریباً تماماً از گلوئون تشکیل شده است.

قاصدک گلوئون دقیقاً همان چیزی است که QCD پیش بینی می کند. میلنر گفت: "داده های HERA اثبات تجربی مستقیمی هستند که QCD طبیعت را توصیف می کند."

اما پیروزی نظریه جوان با یک قرص تلخ همراه بود: در حالی که QCD به زیبایی رقص کوارک‌ها و گلوئون‌های کوتاه‌مدت را که توسط برخوردهای شدید HERA آشکار شد، توصیف کرد، این نظریه برای درک سه کوارک طولانی‌مدت که در بمباران ملایم SLAC دیده می‌شود، بی‌فایده است.

پیش‌بینی‌های QCD تنها زمانی قابل درک است که نیروی قوی نسبتاً ضعیف باشد. و نیروی قوی تنها زمانی ضعیف می‌شود که کوارک‌ها بسیار نزدیک به هم باشند، زیرا در جفت‌های کوارک-آنتی کوارک کوتاه‌مدت قرار دارند. فرانک ویلچک، دیوید گراس و دیوید پولیتزر این ویژگی تعیین کننده QCD را در سال 1973 شناسایی کردند و 31 سال بعد جایزه نوبل را برای آن دریافت کردند.

اما برای برخوردهای ملایم تری مانند برخورد SLAC، که در آن پروتون مانند سه کوارک عمل می کند که به طور متقابل فاصله خود را حفظ می کنند، این کوارک ها به اندازه کافی یکدیگر را می کشند که محاسبات QCD غیرممکن می شود. بنابراین، وظیفه ابهام زدایی بیشتر از دیدگاه سه کوارکی پروتون عمدتاً به عهده تجربی گرایان گذاشته شده است. (محققانی که «آزمایش‌های دیجیتال» را انجام می‌دهند، که در آن پیش‌بینی‌های QCD بر روی ابررایانه‌ها شبیه‌سازی می‌شوند، همچنین مشارکت های کلیدی.) و در این تصویر با وضوح پایین است که فیزیکدانان مدام شگفتی می یابند.

نمای جدید و جذاب

اخیراً تیمی به رهبری خوان روخو موسسه ملی فیزیک زیر اتمی در هلند و دانشگاه VU آمستردام بیش از 5,000 عکس فوری پروتون گرفته شده در 50 سال گذشته را با استفاده از یادگیری ماشینی برای استنتاج حرکات کوارک ها و گلوئون ها در داخل پروتون به گونه ای که از حدس و گمان های نظری دور می شود، تجزیه و تحلیل کردند.

 بررسی‌های جدید تاری پس‌زمینه‌ای را در تصاویری که از محققان گذشته فرار کرده بودند، نشان داد. در برخوردهای نسبتاً نرم که به سختی پروتون را باز می کند، بیشتر تکانه در سه کوارک معمولی محبوس می شود: دو بالا و پایین. اما به نظر می رسد مقدار کمی تکانه از یک کوارک جذاب و آنتی کوارک جذاب - ذرات بنیادی عظیمی که هر یک بیش از یک سوم از کل پروتون وزن دارند، ناشی می شود.

جذابیت های کوتاه مدت اغلب در نمای "دریای کوارکی" پروتون ظاهر می شوند (گلوئون ها در صورت داشتن انرژی کافی می توانند به هر یک از شش نوع کوارک مختلف تقسیم شوند). اما نتایج روخو و همکارانش نشان می‌دهد که جذابیت‌ها حضور دائمی‌تری دارند و در برخوردهای ملایم‌تر قابل تشخیص هستند. در این برخوردها، پروتون به صورت یک مخلوط کوانتومی یا برهم نهی از چندین حالت ظاهر می شود: یک الکترون معمولاً با سه کوارک سبک وزن مواجه می شود. اما گاهی اوقات با یک "مولکول" نادرتر از پنج کوارک، مانند یک کوارک بالا، پایین و جذاب که در یک طرف گروه بندی شده اند و یک کوارک بالا و آنتی کوارک جذاب در طرف دیگر، مواجه می شود.

چنین جزئیات ظریفی در مورد ساختار پروتون می تواند نتیجه ای داشته باشد. در برخورددهنده بزرگ هادرون، فیزیکدانان با کوبیدن پروتون های پرسرعت به یکدیگر و دیدن آنچه بیرون می زند، به دنبال ذرات بنیادی جدید می گردند. برای درک نتایج، محققان ابتدا باید بدانند که در یک پروتون چه چیزی وجود دارد. ظهور گاه و بی گاه کوارک های افسون غول پیکر می تواند شانس را دور بریزید ساخت ذرات عجیب و غریب بیشتر

و هنگامی که پروتون‌هایی به نام پرتوهای کیهانی از فضا به اینجا سرازیر می‌شوند و به پروتون‌های جو زمین برخورد می‌کنند، کوارک‌های جذابی که در لحظه‌های مناسب ظاهر می‌شوند، زمین را بارانی می‌کنند. نوترینوهای فوق پرانرژیمحققان در سال 2021 محاسبه کردند. اینها می تواند ناظران را گیج کند جستجو برای نوترینوهای پرانرژی که از سراسر کیهان می آیند.

همکاری روخو قصد دارد با جستجوی عدم تعادل بین کوارک های جذاب و آنتی کوارک ها به کاوش پروتون ادامه دهد. و اجزای سنگین‌تر، مانند کوارک بالا، می‌توانند حتی نادرتر و سخت‌تر ظاهر شوند.

آزمایش های نسل بعدی به دنبال ویژگی های ناشناخته تری خواهند بود. فیزیکدانان آزمایشگاه ملی بروکهاون امیدوارند که برخورد دهنده الکترون-یون را در دهه 2030 راه اندازی کنند و از جایی که HERA متوقف شد، عکس های فوری با وضوح بالاتر بگیرند که اولین بازسازی های سه بعدی پروتون را ممکن می کند. EIC همچنین از الکترون‌های چرخان برای ایجاد نقشه‌های دقیق از اسپین‌های کوارک‌ها و گلوئون‌های داخلی استفاده خواهد کرد، درست همانطور که SLAC و HERA تکانه‌های خود را ترسیم کردند. این باید به محققان کمک کند تا در نهایت منشاء اسپین پروتون را مشخص کنند و به سؤالات اساسی دیگر در مورد ذره گیج کننده که بیشتر دنیای روزمره ما را تشکیل می دهد، بپردازند.