În interiorul protonului, „cel mai complicat lucru pe care l-ați putea imagina”

La mai bine de un secol după ce Ernest Rutherford a descoperit particula încărcată pozitiv din inima fiecărui atom, fizicienii încă se luptă să înțeleagă pe deplin protonul.

Profesorii de fizică din liceu le descriu ca fiind bile fără caracteristici, cu câte o unitate de sarcină electrică pozitivă - foliile perfecte pentru electronii încărcați negativ care bâzâie în jurul lor. Studenții învață că mingea este de fapt un pachet de trei particule elementare numite quarci. Dar zeci de ani de cercetare au scos la iveală un adevăr mai profund, unul care este prea bizar pentru a fi captat pe deplin cu cuvinte sau imagini.

„Acesta este cel mai complicat lucru pe care ți-l poți imagina”, a spus Mike Williams, fizician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. „De fapt, nici nu vă puteți imagina cât de complicat este.”

Protonul este un obiect mecanic cuantic care există ca o ceață de probabilități până când un experiment îl forțează să ia o formă concretă. Iar formele sale diferă drastic în funcție de modul în care cercetătorii își organizează experimentul. Conectarea mai multor fețe ale particulei a fost munca de generații. „Abia începem să înțelegem acest sistem într-un mod complet”, a spus Richard Milner, un fizician nuclear la MIT.

Pe măsură ce urmărirea continuă, secretele protonului continuă să se dezvăluie. Cel mai recent, a analiza datelor monumentale publicat în august, a constatat că protonul conține urme de particule numite cuarci farmec, care sunt mai grele decât protonul însuși.

Protonul „a fost umilitor pentru oameni”, a spus Williams. „De fiecare dată când crezi că ai un fel de mâner pe el, îți aruncă niște mingi curbe.”

Recent, Milner, împreună cu Rolf Ent de la Jefferson Lab, realizatorii MIT Chris Boebel și Joe McMaster și animatorul James LaPlante, și-au propus să transforme un set de intrigi arcane care compilează rezultatele a sute de experimente într-o serie de animații ale formei -deplasarea protonului. Am încorporat animațiile lor în propria noastră încercare de a-i dezvălui secretele.

Deschide Protonul

Dovada că protonul conține mulțimi a venit de la Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) în 1967. În experimente anterioare, cercetătorii l-au aruncat cu electroni și i-au văzut cum ricochetează ca niște mingi de biliard. Dar SLAC ar putea arunca electronii cu mai multă forță, iar cercetătorii au văzut că aceștia au revenit diferit. Electronii loveau protonul suficient de puternic pentru a-l sparge - un proces numit împrăștiere inelastică profundă - și reveneau din cioburi punctiforme ale protonului numite quarci. „Aceasta a fost prima dovadă că quarkurile există cu adevărat”, a spus Xiaochao Zheng, fizician la Universitatea din Virginia.

După descoperirea SLAC, care a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 1990, examinarea protonului s-a intensificat. Fizicienii au efectuat până în prezent sute de experimente de împrăștiere. Ei deduc diferite aspecte ale interiorului obiectului prin ajustarea cu cât de forță îl bombardează și prin alegerea particulelor împrăștiate pe care le colectează ulterior.

Folosind electroni de energie mai mare, fizicienii pot descoperi caracteristici mai fine ale protonului țintă. În acest fel, energia electronului stabilește puterea maximă de rezoluție a unui experiment de împrăștiere inelastică profundă. Ciocnitoarele de particule mai puternice oferă o vedere mai clară a protonului.

Cilisionarele cu energie mai mare produc, de asemenea, o gamă mai largă de rezultate de coliziune, permițând cercetătorilor să aleagă diferite subseturi de electroni de ieșire pentru a le analiza. Această flexibilitate s-a dovedit esențială pentru înțelegerea quarcilor, cărora le pasă în interiorul protonului cu diferite cantități de impuls.

Măsurând energia și traiectoria fiecărui electron împrăștiat, cercetătorii pot spune dacă a aruncat o privire asupra unui quarc care transportă o mare parte din impulsul total al protonului sau doar o mică parte. Prin ciocniri repetate, ei pot face ceva ca un recensământ - determinând dacă impulsul protonului este în mare parte legat de câțiva quarci sau distribuit pe mulți.

Chiar și coliziunile SLAC de divizare a protonilor au fost blânde conform standardelor actuale. În acele evenimente de împrăștiere, electronii deseori scapă în moduri care sugerează că s-au prăbușit în quarci care transportau o treime din impulsul total al protonului. Descoperirea s-a potrivit cu o teorie a lui Murray Gell-Mann și George Zweig, care în 1964 au postulat că un proton este format din trei quarci.

„Modelul de cuarc” al lui Gell-Mann și Zweig rămâne un mod elegant de a imagina protonul. Are doi quarci „sus” cu sarcini electrice de +2/3 fiecare și un quarc „jos” cu o sarcină de -1/3, pentru o sarcină totală de protoni de +1.

Dar modelul cuarcului este o simplificare excesivă care are deficiențe serioase.

Eșuează, de exemplu, când vine vorba de spin-ul unui proton, o proprietate cuantică analogă momentului unghiular. Protonul are o jumătate de unitate de spin, la fel ca fiecare dintre quarcii săi sus și jos. Fizicienii au presupus inițial că - într-un calcul care face ecou aritmetica sarcinii simple - jumătățile de unități ale celor doi quarci up minus cea a quarcului down trebuie să fie egale cu jumătate de unitate pentru proton în ansamblu. Dar în 1988, Colaborarea Europeană Muon raportate că învârtirile quarcului se adună cu mult mai puțin de jumătate. În mod similar, masele a doi cuarci up și a unui cuarc down reprezintă doar aproximativ 1% din masa totală a protonului. Aceste deficiențe au condus acasă un punct pe care fizicienii au ajuns deja să îl aprecieze: protonul este mult mai mult decât trei quarci.

Mult mai mult decât trei quarci

Acceleratorul Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), care a funcționat în Hamburg, Germania, între 1992 și 2007, a lovit electronii în protoni de aproximativ o mie de ori mai puternic decât SLAC. În experimentele HERA, fizicienii au putut selecta electroni care săriseră de cuarcuri cu impuls extrem de scăzut, inclusiv cei care transportau doar 0.005% din impulsul total al protonului. Și le-au detectat: electronii HERA au revenit dintr-un vâltoare de quarci cu impuls scăzut și omologii lor de antimaterie, antiquarci.

Rezultatele au confirmat o teorie sofisticată și ciudată care înlocuise până atunci modelul de cuarci al lui Gell-Mann și Zweig. Dezvoltată în anii 1970, a fost o teorie cuantică a „forței puternice” care acționează între quarci. Teoria descrie quarcii ca fiind legați împreună de particule purtătoare de forță numite gluoni. Fiecare quarc și fiecare gluon are unul dintre cele trei tipuri de încărcătură „culoare”, etichetate cu roșu, verde și albastru; aceste particule încărcate de culoare se trag în mod natural unele de altele și formează un grup - cum ar fi un proton - ale cărui culori se adaugă la un alb neutru. Teoria colorată a devenit cunoscută sub numele de cromodinamică cuantică sau QCD.

Potrivit QCD, gluonii pot capta vârfuri momentane de energie. Cu această energie, un gluon se împarte într-un cuarc și un antiquarc - fiecare purtând un pic de impuls - înainte ca perechea să se anihileze și să dispară. Picurile de energie mai mici produc perechi de quarci cu un impuls mai mic, care trăiesc o viață mai scurtă. Este această „mare” de gluoni, quarci și antiquarci pe care HERA, cu o sensibilitate mai mare la particulele cu impuls mai mic, a detectat-o ​​direct.

HERA a prins, de asemenea, indicii despre cum ar arăta protonul în ciocnitoarele mai puternice. Pe măsură ce fizicienii au ajustat HERA pentru a căuta quarci cu impuls mai mic, acești quarci - care provin din gluoni - au apărut în număr din ce în ce mai mare. Rezultatele au sugerat că în ciocnirile cu energie și mai mare, protonul ar apărea ca un nor format aproape în întregime din gluoni.

Papadia gluon este exact ceea ce prezice QCD. „Datele HERA sunt dovada experimentală directă că QCD descrie natura”, a spus Milner.

Dar victoria tinerei teorii a venit cu o pastilă amară: în timp ce QCD a descris frumos dansul quarcilor și gluonilor de scurtă durată revelat de coliziunile extreme ale HERA, teoria este inutilă pentru înțelegerea celor trei quarci de lungă durată observați în bombardamentul blând al SLAC.

Predicțiile QCD sunt ușor de înțeles doar atunci când forța puternică este relativ slabă. Iar forța puternică slăbește doar atunci când quarcii sunt extrem de apropiați unul de celălalt, deoarece sunt în perechi de quarc-antiquarc de scurtă durată. Frank Wilczek, David Gross și David Politzer au identificat această caracteristică definitorie a QCD în 1973, câștigând Premiul Nobel pentru aceasta 31 de ani mai târziu.

Dar pentru coliziuni mai blânde precum SLAC, în care protonul acționează ca trei quarci care își păstrează reciproc distanța, acești quarci se trag unul de celălalt suficient de puternic încât calculele QCD devin imposibile. Astfel, sarcina de demistificare în continuare a vederii cu trei quarci a protonului a revenit în mare parte experimentaliștilor. (Cercetătorii care desfășoară „experimente digitale”, în care predicțiile QCD sunt simulate pe supercalculatoare, au făcut, de asemenea, contribuții cheie.) Și în această imagine cu rezoluție scăzută, fizicienii continuă să găsească surprize.

O nouă priveliște fermecătoare

Recent, o echipă condusă de Juan Rojo de la Institutul Național de Fizică Subatomică din Țările de Jos și Universitatea VU din Amsterdam au analizat peste 5,000 de instantanee de protoni făcute în ultimii 50 de ani, folosind învățarea automată pentru a deduce mișcările quarcilor și gluonilor din interiorul protonului într-un mod care eludează presupunerile teoretice.

 Noua analiză a descoperit o neclaritate de fundal în imaginile care scăpaseră cercetătorilor din trecut. În ciocnirile relativ blânde, care abia au spart protonul, cea mai mare parte a impulsului a fost blocată în cei trei quarci obișnuiți: doi urși și un jos. Dar o cantitate mică de impuls a părut să provină de la un quarc „farmec” și un antiquarc de farmec – particule elementare colosale care depășesc fiecare întreg protonul cu mai mult de o treime.

Farmecele de scurtă durată apar frecvent în imaginea „mare de quarci” a protonului (gluonii se pot împărți în oricare dintre șase tipuri diferite de quarci dacă au suficientă energie). Dar rezultatele de la Rojo și colegii sugerează că farmecele au o prezență mai permanentă, făcându-le detectabile în ciocniri mai blânde. În aceste ciocniri, protonul apare ca un amestec cuantic, sau suprapunere, de stări multiple: un electron întâlnește de obicei cei trei quarci ușoare. Dar ocazional va întâlni o „moleculă” mai rară de cinci quarci, cum ar fi un cuarc sus, jos și farmec grupați pe o parte și un cuarc sus și un antiquarc farmec pe cealaltă parte.

Astfel de detalii subtile despre machiajul protonului s-ar putea dovedi semnificative. La Large Hadron Collider, fizicienii caută noi particule elementare prin lovirea protonii de mare viteză împreună și văzând ce iese; pentru a înțelege rezultatele, cercetătorii trebuie să știe pentru început ce este într-un proton. Apariția ocazională a quarcilor de farmec gigant ar fi aruncați șansele de a face particule mai exotice.

Și când protonii numiți raze cosmice năvălesc aici din spațiul cosmic și se lovesc de protoni din atmosfera Pământului, quarcurile de farmec care apar la momentele potrivite ar arunca Pământul cu neutrini extraenergetici, au calculat cercetătorii în 2021. Acestea ar putea deruta observatorii căutare pentru neutrini de înaltă energie care vin dincolo de cosmos.

Colaborarea lui Rojo intenționează să continue explorarea protonului prin căutarea unui dezechilibru între quarcii de farmec și antiquarci. Și constituenții mai grei, cum ar fi quarcul de top, ar putea face apariții și mai rare și mai greu de detectat.

Experimentele de generație următoare vor căuta și mai multe caracteristici necunoscute. Fizicienii de la Brookhaven National Laboratory speră să pornească Coliderul Electron-Ion în anii 2030 și să reia de unde a rămas HERA, făcând instantanee la rezoluție mai mare care vor permite primele reconstrucții 3D ale protonului. EIC va folosi, de asemenea, electroni în rotație pentru a crea hărți detaliate ale spinurilor quarcilor și gluonilor interni, așa cum SLAC și HERA și-au cartografiat impulsurile. Acest lucru ar trebui să-i ajute pe cercetători să identifice în sfârșit originea spinului protonului și să abordeze alte întrebări fundamentale despre particula derutantă care alcătuiește cea mai mare parte a lumii noastre de zi cu zi.