Η μακρά αναζήτηση δεκαετιών αποκαλύπτει λεπτομέρειες της εσωτερικής αντιύλης του πρωτονίου

Συχνά δεν αναφέρεται ότι τα πρωτόνια, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια ύλης στο κέντρο των ατόμων, αποτελούν μέρος της αντιύλης.

Στο σχολείο μαθαίνουμε ότι ένα πρωτόνιο είναι μια δέσμη τριών στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ — δύο «επάνω» κουάρκ και ένα «κάτω» κουάρκ, των οποίων τα ηλεκτρικά φορτία (+2/3 και −1/3, αντίστοιχα) συνδυάζονται για να δώσουν το πρωτόνιο η χρέωση του +1. Αλλά αυτή η απλοϊκή εικόνα λάμπει μια πολύ παράξενη, άλυτη ακόμα ιστορία.

Στην πραγματικότητα, το εσωτερικό του πρωτονίου στροβιλίζεται με έναν κυμαινόμενο αριθμό έξι ειδών κουάρκ, τα αντίθετα φορτισμένα αντίστοιχά τους αντιύλης (αντικουάρκ) και σωματίδια «γκλουονίου» που ενώνουν τα άλλα μεταξύ τους, μεταμορφώνονται σε αυτά και πολλαπλασιάζονται εύκολα. Κάπως έτσι, η ταραχώδης δίνη καταλήγει απόλυτα σταθερή και επιφανειακά απλή — μιμούμενη, από ορισμένες απόψεις, ένα τρίο κουάρκ. "Πώς όλα λειτουργούν, αυτό είναι ειλικρινά κάτι σαν θαύμα", δήλωσε ο Donald Geesaman, πυρηνικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Ιλινόις.

Πριν από τριάντα χρόνια, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό αυτής της «θάλασσας πρωτονίων». Οι θεωρητικοί περίμεναν ότι θα περιέχει ομοιόμορφη εξάπλωση διαφορετικών τύπων αντιύλης. Αντίθετα, τα down antiquark φαινόταν να είναι σημαντικά περισσότερα από τα antiquark. Στη συνέχεια, μια δεκαετία αργότερα, μια άλλη ομάδα είδε υπαινιγμούς περίεργων παραλλαγών στην αναλογία αντικουάρκ από κάτω προς τα πάνω. Αλλά τα αποτελέσματα ήταν ακριβώς στο όριο της ευαισθησίας του πειράματος.

Έτσι, πριν από 20 χρόνια, ο Geesaman και ένας συνάδελφός του, ο Paul Reimer, ξεκίνησαν ένα νέο πείραμα για να το διερευνήσουν. Αυτό το πείραμα, που ονομάζεται SeaQuest, ολοκληρώθηκε επιτέλους και οι ερευνητές αναφέρουν τα ευρήματά τους σήμερα στο περιοδικό Nature. Μέτρησαν την εσωτερική αντιύλη του πρωτονίου με περισσότερες λεπτομέρειες από ποτέ, διαπιστώνοντας ότι υπάρχουν, κατά μέσο όρο, 1,4 down antiquark για κάθε up antiquark.

Τα δεδομένα ευνοούν αμέσως δύο θεωρητικά μοντέλα της πρωτονιακής θάλασσας. "Αυτό είναι το πρώτο πραγματικό στοιχείο που υποστηρίζει αυτά τα μοντέλα που έχουν βγει", είπε ο Reimer.

Το ένα είναι το μοντέλο «pion cloud», μια δημοφιλής προσέγγιση δεκαετιών που δίνει έμφαση στην τάση του πρωτονίου να εκπέμπει και να επαναρροφεί σωματίδια που ονομάζονται πιόνια, τα οποία ανήκουν σε μια ομάδα σωματιδίων γνωστά ως μεσόνια. Το άλλο μοντέλο, το λεγόμενο στατιστικό μοντέλο, αντιμετωπίζει το πρωτόνιο σαν ένα δοχείο γεμάτο αέριο.

Τα προγραμματισμένα μελλοντικά πειράματα θα βοηθήσουν τους ερευνητές να επιλέξουν μεταξύ των δύο εικόνων. Αλλά όποιο μοντέλο είναι σωστό, τα σκληρά δεδομένα της SeaQuest σχετικά με την εσωτερική αντιύλη του πρωτονίου θα είναι άμεσα χρήσιμα, ειδικά για τους φυσικούς που συνθλίβουν πρωτόνια μαζί με σχεδόν ταχύτητα φωτός στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης. Όταν γνωρίζουν ακριβώς τι υπάρχει στα αντικείμενα που συγκρούονται, μπορούν καλύτερα να διαπεράσουν τα συντρίμμια της σύγκρουσης αναζητώντας στοιχεία για νέα σωματίδια ή επιδράσεις. Ο Χουάν Ρόχο του Πανεπιστημίου VU του Άμστερνταμ, ο οποίος βοηθά στην ανάλυση δεδομένων LHC, είπε ότι η μέτρηση του SeaQuest «θα μπορούσε να έχει μεγάλο αντίκτυπο» στην αναζήτηση νέας φυσικής, η οποία επί του παρόντος «περιορίζεται από τις γνώσεις μας για τη δομή του πρωτονίου, ιδιαίτερα για το περιεχόμενό της σε αντιύλη. .”

Three's Company

Για μια σύντομη περίοδο πριν από περίπου μισό αιώνα, οι φυσικοί νόμιζαν ότι είχαν ταξινομήσει το πρωτόνιο.

Το 1964, ο Murray Gell-Mann και ο George Zweig πρότειναν ανεξάρτητα αυτό που έγινε γνωστό ως μοντέλο κουάρκ - την ιδέα ότι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα σχετικά σπανιότερα σωματίδια είναι δέσμες τριών κουάρκ (όπως τα ονόμασε ο Gell-Mann), ενώ τα πιόνια και άλλα μεσόνια είναι κατασκευασμένο από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Το σχήμα έδωσε νόημα στην κακοφωνία των σωματιδίων που ψεκάζονται από επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, καθώς το φάσμα των φορτίων τους θα μπορούσε να κατασκευαστεί από συνδυασμούς δύο και τριών μερών. Στη συνέχεια, γύρω στο 1970, οι ερευνητές στον επιταχυντή SLAC του Στάνφορντ φάνηκαν να επιβεβαιώνουν θριαμβευτικά το μοντέλο κουάρκ όταν εκτόξευσαν ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας στα πρωτόνια και είδαν τα ηλεκτρόνια να εκτοξεύονται από τα αντικείμενα μέσα.

Αλλά η εικόνα σύντομα έγινε πιο σκοτεινή. «Καθώς αρχίσαμε να προσπαθούμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες αυτών των τριών κουάρκ όλο και περισσότερο, ανακαλύψαμε ότι συνέβαιναν κάποια επιπλέον πράγματα», είπε ο Τσακ Μπράουν, ένα 80χρονο μέλος της ομάδας SeaQuest στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi. ο οποίος έχει εργαστεί σε πειράματα κουάρκ από τη δεκαετία του 1970.

Ο έλεγχος της ορμής των τριών κουάρκ έδειξε ότι οι μάζες τους αντιστοιχούσαν σε ένα μικρό κλάσμα της συνολικής μάζας του πρωτονίου. Επιπλέον, όταν το SLAC εκτόξευσε γρηγορότερα ηλεκτρόνια στα πρωτόνια, οι ερευνητές είδαν τα ηλεκτρόνια να αποσπούν περισσότερα πράγματα μέσα. Όσο πιο γρήγορα τα ηλεκτρόνια, τόσο μικρότερα τα μήκη κύματός τους, γεγονός που τα έκανε ευαίσθητα σε πιο λεπτά χαρακτηριστικά του πρωτονίου, σαν να είχαν αυξήσει την ανάλυση ενός μικροσκοπίου. Όλο και περισσότερα εσωτερικά σωματίδια αποκαλύφθηκαν, φαινομενικά χωρίς όρια. Δεν υπάρχει υψηλότερη ανάλυση "που γνωρίζουμε", είπε ο Geesaman.

Τα αποτελέσματα άρχισαν να γίνονται πιο λογικά καθώς οι φυσικοί επεξεργάζονταν την αληθινή θεωρία ότι το μοντέλο κουάρκ προσεγγίζει μόνο:την κβαντική χρωμοδυναμική ή QCD. Διατυπωμένο το 1973, το QCD περιγράφει την «ισχυρή δύναμη», την ισχυρότερη δύναμη της φύσης, στην οποία σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια συνδέουν δέσμες κουάρκ.

Το QCD προβλέπει την ίδια τη δίνη που παρατήρησαν τα πειράματα σκέδασης. Οι επιπλοκές προκύπτουν επειδή τα γκλουόνια αισθάνονται την ίδια τη δύναμη που μεταφέρουν. (Διαφέρουν με αυτόν τον τρόπο από τα φωτόνια, τα οποία φέρουν την απλούστερη ηλεκτρομαγνητική δύναμη.) Αυτή η αυτοεξυπηρέτηση δημιουργεί ένα τέλμα μέσα στο πρωτόνιο, δίνοντας στα γκλουόνια ελεύθερα ηνία να προκύψουν, να πολλαπλασιαστούν και να χωριστούν σε βραχύβια ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ. Από μακριά, αυτά τα στενά τοποθετημένα, αντίθετα φορτισμένα κουάρκ και αντικουάρκ ακυρώνονται και περνούν απαρατήρητα. (Μόνο τρία μη ισορροπημένα κουάρκ «σθένους» — δύο ανεβάσματα και ένα κάτω — συμβάλλουν στο συνολικό φορτίο του πρωτονίου.) Αλλά οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι όταν πυροβολούσαν ταχύτερα ηλεκτρόνια, χτυπούσαν τους μικρούς στόχους.

Ωστόσο, τα περίεργα συνεχίστηκαν.

Τα γκλουόνια που αυτοεξυπηρετούνται καθιστούν τις εξισώσεις QCD γενικά άλυτες, έτσι οι φυσικοί δεν μπορούσαν - και ακόμα δεν μπορούν - να υπολογίσουν τις ακριβείς προβλέψεις της θεωρίας. Αλλά δεν είχαν κανένα λόγο να πιστεύουν ότι τα γκλουόνια θα έπρεπε να χωρίζονται πιο συχνά σε έναν τύπο ζεύγους κουάρκ-αντικουάρκ - τον τύπο κάτω - από τον άλλο. «Θα περιμέναμε να παραχθούν ίσες ποσότητες και των δύο», είπε η Μαίρη Άλμπεργκ, πυρηνική θεωρητική στο Πανεπιστήμιο του Σιάτλ, εξηγώντας το σκεπτικό εκείνη την εποχή.

Εξ ου και το σοκ όταν, το 1991, η New Muon Collaboration στη Γενεύη διασκόρπισε μιόνια, τα βαρύτερα αδέρφια ηλεκτρονίων, εκτός πρωτονίων και δευτερονίων (αποτελούμενα από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο), συνέκρινε τα αποτελέσματα και συμπέρανε ότι περισσότερα down antiquarks παρά πάνω τα αντικουάρκ φαινόταν να πιτσιλίζουν στη θάλασσα πρωτονίων.

Μέρη πρωτονίων

Σύντομα οι θεωρητικοί βρήκαν διάφορους πιθανούς τρόπους για να εξηγήσουν την ασυμμετρία του πρωτονίου.

Το ένα περιλαμβάνει το πιόνιο. Από τη δεκαετία του 1940, οι φυσικοί έχουν δει πρωτόνια και νετρόνια να περνούν πιόνια μπρος-πίσω μέσα στους ατομικούς πυρήνες σαν συμπαίκτες να πετούν μπάλες μπάσκετ ο ένας στον άλλο, μια δραστηριότητα που βοηθά στη σύνδεσή τους. Στο συλλογισμό του πρωτονίου, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι μπορεί επίσης να πετάξει μια μπάλα μπάσκετ στον εαυτό της - δηλαδή, μπορεί για λίγο να εκπέμπει και να επαναρροφήσει ένα θετικά φορτισμένο πιόνιο, μετατρέποντας στο μεταξύ σε νετρόνιο. "Αν κάνετε ένα πείραμα και νομίζετε ότι κοιτάζετε ένα πρωτόνιο, κοροϊδεύετε τον εαυτό σας, επειδή μερικές φορές αυτό το πρωτόνιο πρόκειται να κυμανθεί σε αυτό το ζεύγος νετρονίων-πιονίων", είπε ο Alberg.

Συγκεκριμένα, το πρωτόνιο μεταμορφώνεται σε ένα νετρόνιο και ένα πιόνιο που αποτελείται από ένα up quark και ένα down antiquark. Επειδή αυτό το φανταστικό πιόνιο έχει ένα down antiquark (ένα πιόνιο που περιέχει ένα up antiquark δεν μπορεί να υλοποιηθεί τόσο εύκολα), θεωρητικοί όπως ο Alberg, ο Gerald Miller και ο Tony Thomas υποστήριξαν ότι η ιδέα του νέφους των πιονίων εξηγεί το μετρημένο πλεόνασμα αντικουάρκ του πρωτονίου.

Προέκυψαν επίσης πολλά άλλα επιχειρήματα. Ο Claude Bourrely και οι συνεργάτες του στη Γαλλία ανέπτυξαν το στατιστικό μοντέλο, το οποίο αντιμετωπίζει τα εσωτερικά σωματίδια του πρωτονίου σαν να είναι μόρια αερίου σε ένα δωμάτιο, με μια κατανομή ταχυτήτων που εξαρτώνται από το αν διαθέτουν ακέραια ή μισά ακέραια ποσά γωνιακής ορμής . Όταν ρυθμίστηκε για να χωρέσει δεδομένα από πολυάριθμα πειράματα σκέδασης, το μοντέλο μάντευε μια περίσσεια κατά του κουάρκ.

Τα μοντέλα δεν έκαναν πανομοιότυπες προβλέψεις. Μεγάλο μέρος της συνολικής μάζας του πρωτονίου προέρχεται από την ενέργεια μεμονωμένων σωματιδίων που εκρήγνυνται μέσα και έξω από τη θάλασσα πρωτονίων και αυτά τα σωματίδια φέρουν μια σειρά ενεργειών. Τα μοντέλα έκαναν διαφορετικές προβλέψεις για το πώς θα πρέπει να αλλάξει η αναλογία των αντικουάρκ κάτω και πάνω, καθώς μετράτε τα αντικουάρκ που μεταφέρουν περισσότερη ενέργεια. Οι φυσικοί μετρούν μια σχετική ποσότητα που ονομάζεται κλάσμα ορμής του αντικουάρκ.

Όταν το πείραμα «NuSea» στο Fermilab μέτρησε την αναλογία κάτω προς τα πάνω ως συνάρτηση της ορμής των αντικουάρκ το 1999, η απάντησή τους «μόλις φώτισε τους πάντες», θυμάται ο Άλμπεργκ. Τα δεδομένα υποδεικνύουν ότι μεταξύ των αντικουάρκ με αρκετή ορμή - τόσο πολύ, στην πραγματικότητα, που βρίσκονταν ακριβώς στο τέλος του εύρους ανίχνευσης της συσκευής - τα επάνω αντικουάρκ έγιναν ξαφνικά πιο διαδεδομένα από τα κάτω. «Κάθε θεωρητικός έλεγε, «Περίμενε ένα λεπτό», είπε ο Άλμπεργκ. "Γιατί, όταν αυτά τα αντικουάρκ παίρνουν μεγαλύτερο μερίδιο της ορμής, αυτή η καμπύλη πρέπει να αρχίσει να ανατρέπεται;"

Καθώς οι θεωρητικοί έξυναν το κεφάλι τους, ο Geesaman και ο Reimer, που εργάζονταν στο NuSea και γνώριζαν ότι τα δεδομένα στην άκρη μερικές φορές δεν είναι αξιόπιστα, ξεκίνησαν να δημιουργήσουν ένα πείραμα που θα μπορούσε άνετα να εξερευνήσει ένα μεγαλύτερο εύρος ορμής αντικουάρκ. Το ονόμασαν SeaQuest.

Αναπαραγωγή σκουπιδιών

Με πολλές ερωτήσεις σχετικά με το πρωτόνιο, αλλά με έλλειψη μετρητών, άρχισαν να συναρμολογούν το πείραμα από μεταχειρισμένα εξαρτήματα. "Το σύνθημά μας ήταν:Μείωση, επαναχρησιμοποίηση, ανακύκλωση", είπε ο Reimer.

Απέκτησαν μερικούς παλιούς σπινθηριστές από ένα εργαστήριο στο Αμβούργο, ανιχνευτές υπολειμμάτων σωματιδίων από το Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος και σιδερένιες πλάκες που εμποδίζουν την ακτινοβολία που χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά σε ένα κυκλοτρόνιο στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια τη δεκαετία του 1950. Θα μπορούσαν να επαναχρησιμοποιήσουν τον μαγνήτη μεγέθους δωματίου του NuSea και θα μπορούσαν να εκτελέσουν το νέο τους πείραμα από τον υπάρχοντα επιταχυντή πρωτονίων του Fermilab. Το συγκρότημα Frankenstein δεν ήταν χωρίς τη γοητεία του. Ο βομβητής που έδειχνε πότε ρέουν πρωτόνια στη συσκευή τους χρονολογείται πριν από πέντε δεκαετίες, είπε ο Μπράουν, ο οποίος βοήθησε να βρεθούν όλα τα κομμάτια. "Όταν ηχεί, σας δίνει μια ζεστή αίσθηση στην κοιλιά σας."

Σιγά σιγά το κατάφεραν να δουλέψει. Στο πείραμα, τα πρωτόνια χτυπούν δύο στόχους:ένα φιαλίδιο υδρογόνου, το οποίο είναι ουσιαστικά πρωτόνια, και ένα φιαλίδιο δευτερίου — άτομα με ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο στον πυρήνα.

Όταν ένα πρωτόνιο χτυπά έναν από τους δύο στόχους, ένα από τα κουάρκ σθένους του μερικές φορές εκμηδενίζεται με ένα από τα αντικουάρκ στο πρωτόνιο ή το νετρόνιο στόχο. «Όταν συμβαίνει η εκμηδένιση, έχει μια μοναδική υπογραφή», είπε ο Ράιμερ, δίνοντας ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο. Αυτά τα σωματίδια, μαζί με άλλα «σκουπίδια» που παράγονται στη σύγκρουση, στη συνέχεια συναντούν αυτές τις παλιές σιδερένιες πλάκες. «Τα μιόνια μπορούν να περάσουν. όλα τα άλλα σταματούν», είπε. Ανιχνεύοντας τα μιόνια στην άλλη πλευρά και ανακατασκευάζοντας τις αρχικές τους διαδρομές και ταχύτητες, «μπορείτε να εργαστείτε προς τα πίσω για να υπολογίσετε τι κλάσμα ορμής φέρουν τα αντικουάρκ».

Επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια αντικατοπτρίζονται το ένα το άλλο - το καθένα έχει σωματίδια ανω-τύπου στη θέση των σωματιδίων κάτω τύπου του άλλου και αντίστροφα - η σύγκριση των δεδομένων από τα δύο φιαλίδια δείχνει άμεσα την αναλογία των down antiquark προς τα up antiquarks στο πρωτόνιο , δηλαδή μετά από 20 χρόνια δουλειάς.

Το 2019, οι Alberg και Miller υπολόγισαν τι πρέπει να παρατηρεί το SeaQuest με βάση την ιδέα του pion cloud. Η πρόβλεψή τους ταιριάζει καλά με τα νέα δεδομένα του SeaQuest.

Τα νέα δεδομένα - τα οποία δείχνουν μια σταδιακά αυξανόμενη, στη συνέχεια υψηλές, αναλογία από κάτω προς τα πάνω, όχι μια ξαφνική αντιστροφή - συμφωνούν επίσης με το πιο ευέλικτο στατιστικό μοντέλο της Bourrely και της εταιρείας. Ωστόσο, ο Miller αποκαλεί αυτό το ανταγωνιστικό μοντέλο "περιγραφικό, παρά προγνωστικό", καθώς είναι ρυθμισμένο για να χωράει δεδομένα αντί να προσδιορίζει έναν φυσικό μηχανισμό πίσω από την περίσσεια του down antiquark. Αντίθετα, «αυτό για το οποίο είμαι πραγματικά περήφανος στους υπολογισμούς μας είναι ότι ήταν μια αληθινή πρόβλεψη», είπε ο Alberg. "Δεν πληκτρολογήσαμε καμία παράμετρο."

Σε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, ο Bourrely υποστήριξε ότι «το στατιστικό μοντέλο είναι πιο ισχυρό από αυτό του Alberg και του Miller», καθώς αντιπροσωπεύει πειράματα σκέδασης στα οποία τα σωματίδια είναι και όχι πολωμένα. Ο Μίλερ διαφώνησε έντονα, σημειώνοντας ότι τα νέφη των πιονίων εξηγούν όχι μόνο την περιεκτικότητα σε αντιύλη του πρωτονίου, αλλά και τις μαγνητικές ροπές των διαφόρων σωματιδίων, τις κατανομές φορτίου και τους χρόνους διάσπασης, καθώς και τη «δέσμευση και επομένως την ύπαρξη όλων των πυρήνων». Πρόσθεσε ότι ο μηχανισμός του pion είναι «σημαντικός με την ευρεία έννοια του γιατί υπάρχουν οι πυρήνες, γιατί υπάρχουμε».

Στην τελική αναζήτηση κατανόησης του πρωτονίου, ο αποφασιστικός παράγοντας μπορεί να είναι το σπιν του ή η εγγενής γωνιακή ορμή. Ένα πείραμα σκέδασης μιονίων στα τέλη της δεκαετίας του 1980 έδειξε ότι τα σπιν των τριών κουάρκ σθένους του πρωτονίου δεν αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 30% του συνολικού σπιν του πρωτονίου. Η «κρίση σπιν πρωτονίων» είναι:Τι συνεισφέρει το άλλο 70%; Για άλλη μια φορά, είπε ο Μπράουν, ο παλιός χρονογράφος της Fermilab, «κάτι άλλο πρέπει να συμβαίνει».

Στο Fermilab, και τελικά στον προγραμματισμένο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ιόντων του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven, οι πειραματιστές θα διερευνήσουν το σπιν της θάλασσας πρωτονίων. Ήδη ο Άλμπεργκ και ο Μίλερ εργάζονται στους υπολογισμούς του πλήρους «νέφους μεσονίων» που περιβάλλει τα πρωτόνια, το οποίο περιλαμβάνει, μαζί με τα πιόνια, πιο σπάνια «μεσόνια rho». Τα πιόνια δεν διαθέτουν σπιν, αλλά τα μεσόνια rho, επομένως πρέπει να συνεισφέρουν στο συνολικό σπιν του πρωτονίου με τρόπο που οι Alberg και Miller ελπίζουν να προσδιορίσουν.

Το πείραμα SpinQuest της Fermilab, που περιλαμβάνει πολλά από τα ίδια άτομα και μέρη με το SeaQuest, είναι «σχεδόν έτοιμο να ξεκινήσει», είπε ο Brown. «Με τύχη θα λάβουμε δεδομένα αυτή την άνοιξη. θα εξαρτηθεί» — τουλάχιστον εν μέρει — «από την πρόοδο του εμβολίου κατά του ιού. Είναι κάπως διασκεδαστικό το γεγονός ότι μια τόσο βαθιά και σκοτεινή ερώτηση μέσα στον πυρήνα εξαρτάται από την απάντηση αυτής της χώρας στον ιό COVID. Είμαστε όλοι διασυνδεδεμένοι, έτσι δεν είναι;»