Гравитацията помага да се покаже силното взаимодействие в протона

Ваня Милева Последна промяна на 26 януари 2024 в 00:00 5033 0

Двуизмерно изображение на кварковия принос към разпределението на силите в протона като функция на разстоянието от центъра на протона

Кредит Burkert et al., doi: 10.1103/RevModPhys.95.041002

Двуизмерно изображение на кварковия принос към разпределението на силите в протона като функция на разстоянието от центъра на протона. Светлосивото оцветяване и по-дългите стрелки показват областите с по-силни сили, а тъмното оцветяване и по-късите стрелки - областите с по-слаби сили. Ляв панел: нормални сили като функция на разстоянието от центъра; стрелките променят големината си и винаги сочат радиално навън. Десен панел: тангенциални сили като функция на разстоянието от центъра; силата променя посоката и големината си, както е посочено от посоката и дължината на стрелката; силите променят знака си близо до 0,4 fm от центъра на протона.

Физиката на гравитационните фактори на протона, както и тяхното разбиране в рамките на квантовата хромодинамика, напредна значително през последните две десетилетия както на теория, така и чрез експерименти.

Нова статия в Reviews of Modern Physics прави преглед на този напредък, подчертавайки физическите открития, разкрити от изследванията на гравитационните формообразуващи фактори, и прави преглед на тяхното тълкуване по отношение на механичните свойства на протона.

Силата на гравитацията е широко разпространена в нашата видима вселена. Може да се види в движението на луните, докато обикалят около планетите, при блуждаещи комети, отклоняванни от курса си от масивни звезди и във вихъра на гигантски галактики. Тези примери демонстрират влиянието на гравитацията в най-големите мащаби на материята.

Сега ядрените физици откриват, че гравитацията може да предложи много и в най-малките мащаби на материята.

Новото изследване, проведено от ядрени физици в Националния ускорител на "Томас Джеферсън" на Министерството на енергетиката на САЩ, използва метод, който свързва теориите за гравитацията с взаимодействията между най-малките частици материя, за да разкрие нови подробности в този по-малък мащаб.

Изследването разкрива за първи път моментната снимка на разпределението на силното взаимодействие вътре в протона. Тази моментна снимка описва подробно напрежението на срязване, което силата може да упражни върху кварковите частици, които изграждат протона

"Измерването разкрива представа за средата, в която се намират градивните елементи на протона", обяснява главният научен сътрудник на лабораторията Джеферсън Фолкер Буркерт (Volker Burkert).

"Протоните са изградени от три кварка, които са свързани помежду си със силното взаимодействие."

"В своя пик това е повече от четиритонна сила, която би трябвало да се приложи към един кварк, за да го извади от протона."

"Природата, разбира се, не ни позволява да отделим само един кварк от протона поради едно свойство на кварките, наречено цвят."

"Има три цвята, които смесват кварките в протона, за да изглежда той безцветен отвън, което е изискване за съществуването му в пространството."

"Опитът да се извади цветен кварк от протона ще доведе до образуването на безцветна двойка кварк/антикварк, мезон, използвайки енергията, която сте вложили в опита да отделите кварка, оставяйки зад себе си безцветен протон (или неутрон)."

"И така, 4-те тона са илюстрация на силата, която е присъща на протона."

Цветовете на барионите

За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки (долен (d), горен (u), странен (s), чаровен (c), дънен (b), върховен (t)), се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят, когато смесят, дават бял.

Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.

Всеки кварк има един от трите цвята, а глуоните - един от 8 цвята или антицвята.

Барионите (от βαρύς, тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.

Полученият резултат е едва вторият, в който се измерват механичните свойства на протона.

Механичните свойства на протона включват вътрешното му налягане (измерено през 2018 г.), разпределението на масата му (физическия размер), ъгловия момент и напрежението на срязване (показано тук).

Резултатът стана възможен благодарение на прогноза отпреди половин век и данни отпреди две десетилетия.

В средата на 60-те години на миналия век е изказана хипотезата, че ако ядрените физици могат да видят как гравитацията взаимодейства със субатомните частици като протона, подобни експерименти биха могли да разкрият директно механичните свойства на протона.

"Но по онова време нямаше възможност това да се провери. Ако сравните гравитацията с електромагнитната сила например, разликата е 39 порядъка - така че е напълно безнадеждно, нали?" - коментира Латифа Елуадри (Latifa Elouadhriri), научен сътрудник в лабораторията "Джеферсън".

Данните са получени от експерименти, проведени с ускорителя за непрекъснати електронни лъчи (CEBAF - Continuous Electron Beam Accelerator Facility) на лабораторията "Джеферсън".

Типичният експеримент на CEBAF включва взаимодействие на високо енергиен електрон с друга частица чрез размяна на пакет от енергия и единица ъглов момент, наречен виртуален фотон, с частица. Енергията на електрона определя с кои частици ще взаимодейства по този начин и как те ще реагират.

Схема на ускорителя на лабораторията "Томас Джеферсън". Кредит: Wikimedia Commons

В експеримента силата, дори много по-голяма от четирите тона, необходими за изваждането на двойка кварк/антикварк, е приложена към протона от високоенергийния електронен сноп, взаимодействащ с протона в мишена от втечнен водороден газ.

"Разработихме програмата, за да изследваме задълбочено виртуалното Комптъново разсейване", съобщава д-р Елуадхрири.

"При това електронът обменя виртуален фотон с протона."

"И в крайното състояние протонът остава същият, но се отдръпва и имате един реален много високоенергиен произведен фотон плюс разсеяния електрон."

"В момента, в който взехме данните, не знаехме, че освен триизмерното изображение, което възнамерявахме да направим с тези данни, събирахме и данни, необходими за достъп до механичните свойства на протона."

"Оказва се, че този специфичен процес - дълбоко виртуално Комптъново разсейване - може да бъде свързан с начина, по който гравитацията взаимодейства с материята."

"Общата версия на тази връзка е изложена в учебника по Обща теория на относителността на Айнщайн от 1973 г., озаглавен "Гравитация" от Чарлз У. Миснър, Кип С. Торн и Джон Арчибалд Уилър."

"В него те пишат: "Всяко поле без масов спин-2 би породило сила, неразличима от гравитацията, защото поле без масов спин-2 би се свързало с тензора на напрежението и енергията по същия начин, както гравитационните взаимодействия."

Справка: V.D. Burkert et al. 2023. Colloquium: Gravitational form factors of the proton. Rev. Mod. Phys 95 (4): 041002; doi: 10.1103/RevModPhys.95.041002https://arxiv.org/abs/2303.08347 

Източник:

Physicists Determine Distribution of Strong Force inside Proton,  Sci.News

Gravity helps show strong force strength in the proton, Space Daily

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !