Prije dvadeset godina fizičari su počeli istraživati misterioznu asimetriju unutar protona. Njihovi rezultati pokazuju kako antimaterija pomaže stabiliziranju jezgre svakog atoma.

Često se ne spominje da su protoni, pozitivno nabijene čestice materije u središtu atoma, dio antimaterije.

U školi učimo da je proton snop od tri osnovne čestice koje se nazivaju kvarkovi – dva “gore” i “donji” kvark, čiji električni naboji (+2/3 i −1/3, zajedno) daju protonu naboj od +1. Ali ta pojednostavljena slika prekriva daleko nepoznatu, još nerazjašnjenu priču.

U stvarnosti, unutrašnjost protona kovitla se s fluktuirajućim brojem šest vrsta kvarkova, njihovi suprotno nabijeni kolege antimaterije (antikvarkovi) i “gluonske” čestice koje vežu ostale, pretvaraju se u njih i lako se množe.

Nekako se kovitlani vrtlog završava savršeno stabilno i površno jednostavno – oponašajući, u određenim aspektima, trio kvarkova. “Kako to sve funkcionira, to je sasvim iskreno čudo”, rekao je Donald Geesaman, nuklearni fizičar iz Nacionalne laboratorije Argonne u Ilinoisu.

Prije trideset godina istraživači su otkrili zapanjujuću osobinu ovog „protonskog mora“. Teoretičari su očekivali da sadrži ravnomjerno širenje različitih vrsta antimaterije; umjesto toga, činilo se da donji antikvarkovi znatno premašuju antikvarkove. Zatim, desetljeće kasnije, druga je skupina vidjela nagovještavajuće varijacije u omjeru antikvarkova prema dolje. Ali rezultati su bili na ivici osjetljivosti eksperimenta.

Tako su prije 20 godina Geesaman i njegov kolega Paul Reimer započeli novi eksperiment koji će istražiti. Taj eksperiment, nazvan SeaQuest, konačno je završen, a istraživači izvještavaju o svojim nalazima u časopisu Nature. Izmjerili su unutarnju antimateriju protona detaljnije nego ikad prije, utvrdivši da u prosjeku postoji 1,4 donjih antikvarka za svaki gornji antikvark.

Podaci odmah favoriziraju dva teorijska modela protonskog mora. “Ovo je prvi stvarni dokaz koji podupire one modele koji su izašli”, rekao je Reimer.

Jedan je model “oblaka piona”, popularan, desetljećima star pristup koji naglašava tendenciju protona da emitira i reapsorbira čestice zvane pioni, koje pripadaju grupi čestica poznatih kao mezoni. Drugi model, takozvani statistički model, proton tretira kao posudu punu plina.

Planirani budući eksperimenti pomoći će istraživačima da biraju između dvije slike. No, koji god model bio u pravu, SeaQuest-ovi čvrsti podaci o unutarnjoj antimateriji protona bit će odmah korisni, posebno za fizičare koji zajedno razbijaju protone gotovo brzinom svjetlosti u velikom hadronskom sudaraču u Europi.

Kad tačno znaju šta se nalazi u objektima koji se sudaraju, mogu bolje probiti ostatke sudara tražeći dokaze o novim česticama ili efektima. Juan Rojo sa Univerziteta VU Amsterdam, koji pomaže u analizi LHC podataka, rekao je da bi mjerenje SeaQuesta “moglo imati veliki utjecaj” na potragu za novom fizikom, koja je trenutno ograničena našim znanjem o strukturi protona, posebno o sadržaju antimaterije. ”

Kratko vrijeme prije otprilike pola stoljeća, fizičari su mislili da su sortirali proton.

Murray Gell-Mann i George Zweig neovisno su predložili ono što je postalo poznato kao model kvarka – ideju da su protoni, neutroni i srodnije rjeđe čestice snopovi od tri kvarka (kako ih je Gell-Mann nazvao), dok su pioni i drugi mezoni napravljen od jednog kvarka i jednog antikvarka. Shema je osmislila kakofoniju čestica koje prskaju iz visokoenergetskih akceleratora čestica, jer bi se njihov spektar naboja mogao konstruirati iz dvodijelnih i trodijelnih kombinacija. Tada, oko 1970. godine, činilo se da istraživači na Stanfordovom akceleratoru SLAC trijumfalno potvrđuju model kvarka kada su pucali u elektrone velike brzine u protone i vidjeli kako se elektroni raspršuju iz predmeta u njima.

Ali slika je ubrzo postala mutnija. “Kako smo počeli pokušavati mjeriti svojstva ta tri kvarka sve više i više, otkrili smo da se događaju neke dodatne stvari”, rekao je Chuck Brown, 80-godišnji član SeaQuest tima iz Fermi National Accelerator Laboratory koji je radio na eksperimentima na kvarkovima od 1970-ih.

Ispitivanje impulsa tri kvarka ukazalo je da su njihove mase činile manji dio ukupne mase protona. Štaviše, kada je SLAC pucao bržim elektronima na protone, istraživači su vidjeli kako elektroni odlaze iz više stvari iznutra. Što su elektroni brži, to su im valne duljine kraće, što ih je činilo osjetljivima na sitnije zrnate karakteristike protona, kao da su povećali razlučivost mikroskopa. Otkrivano je sve više unutrašnjih čestica, naizgled bez ograničenja. Ne postoji najviša rezolucija, “za koju znamo”, rekao je Geesaman.

Rezultati su počeli imati više smisla kad su fizičari razvili istinsku teoriju kojoj se kvarkovski model samo približava: kvantna hromodinamika ili QCD. Formuliran 1973. godine, QCD opisuje „snažnu silu“, najjaču silu prirode, u kojoj čestice zvane gluoni povezuju snopove kvarkova.

QCD predviđa sam vrtlog koji su primijetili eksperimenti rasipanja. Komplikacije nastaju jer gluoni osjećaju samu silu koju nose. (Oni se na taj način razlikuju od fotona koji nose jednostavniju elektromagnetsku silu.) Ovo samo-bavljenje stvara močvaru unutar protona, dajući gluonima slobodu da nastanu, razmnože se i podijele u kratkotrajne parove kvark-antikvark. Iz daleka se ovi usko raspoređeni, suprotno nabijeni kvarkovi i antikvarkovi poništavaju i ostaju neprimijećeni. (Samo tri neuravnotežena “valentna” kvarka – dva uspona i pad – doprinose ukupnom naboju protona.) Ali fizičari su shvatili da kada pucaju u brže elektrone, pogađaju male ciljeve.

Samorazumljivi gluoni čine QCD jednadžbe općenito nerješivima, tako da fizičari nisu mogli – i još uvijek ne mogu – izračunati precizna predviđanja teorije. Ali nisu imali razloga misliti da bi se gluoni trebali češće dijeliti na jednu vrstu kvark-antikvarkovski par – tip dolje – od druge. “Očekivali bismo da će se proizvesti jednake količine oba”, rekla je Mary Alberg, teoretičarka nuklearnog materijala sa Univerziteta u Seattlu, objašnjavajući tadašnje obrazloženje.

Otuda i šok kada su 1991. godine New Muon Collaboration u Ženevi raštrkali mione, težu braću i sestre elektrona, izvan protona i deuterona (koji se sastoje od jednog protona i jednog neutrona), uspoređujući rezultate i zaključujući da je više donjih antikvarkova nego gore. Činilo se da se antikvarkovi prskaju u protonskom moru.

Teoretičari su ubrzo iznašli niz mogućih načina da objasne asimetriju protona.

Jedan uključuje piona. Od četrdesetih godina prošlog stoljeća fizičari su vidjeli protone i neutrone kako prolaze pionijima naprijed-natrag unutar atomskih jezgri poput suigrača koji međusobno bacaju košarkaške lopte, aktivnost koja pomaže u njihovom povezivanju. Razmišljajući o protonu, istraživači su shvatili da on također može baciti košarkašku loptu sebi – to jest, može nakratko emitirati i reapsorbirati pozitivno nabijeni pion, pretvarajući se u međuvremenu u neutron. “Ako izvodite eksperiment i mislite da gledate proton, zavaravate se, jer će dio vremena taj proton fluktuirati u ovaj par neutron-pion”, rekao je Alberg.

Konkretno, proton se pretvara u neutron i pion izrađen od jednog gornjeg i jednog donjeg antikvarka. Budući da ovaj fantazmalni pion ima donji antikvark (pion koji sadrži gornji antikvark ne može se tako lako materijalizirati), teoretičari poput Alberga, Geralda Millera i Tonyja Thomasa tvrdili su da ideja oblaka piona objašnjava izmjereni protonski višak protona.

Pojavilo se i nekoliko drugih argumenata. Claude Bourrely i suradnici u Francuskoj razvili su statistički model koji tretira unutarnje čestice protona kao da su molekule plina u sobi, šibajući se distribucijom brzina koje ovise o tome imaju li cjeloviti ili polucjelobrojni kutni moment . Kada je podešen kako bi odgovarao podacima iz brojnih eksperimenata raspršivanja, model je protumačio višak antikvarkova.

Modeli nisu dali identična predviđanja. Velik dio ukupne mase protona dolazi iz energije pojedinih čestica koje pucaju u i izvan protonskog mora, a te čestice nose niz energija. Modeli su napravili različita predviđanja o tome kako bi se trebao mijenjati omjer antikvarkova prema dolje i prema gore dok računate antikvarkove koji nose više energije. Fizičari mjere povezanu veličinu koja se naziva udio zamaha antikvarka.

Kada je eksperiment “NuSea” u Fermilabu izmjerio omjer smanjenja i povećanja kao funkciju zamaha antikvaraka 1999. godine, njihov je odgovor “samo osvijetlio sve”, prisjetio se Alberg. Podaci sugeriraju da su antikvarkovi s obimnim zamahom – zapravo toliko da su bili na kraju dometa detekcije aparata – odjednom antikvarkovi postali više zastupljeni nego padovi. “Svaki je teoretičar govorio:” Čekaj malo “, rekao je Alberg. “Zašto bi se, kad ti antikvarkovi dobiju veći udio u zamahu, ova krivulja počela preokretati?”

Dok su se teoretičari češali po glavi, Geesaman i Reimer, koji su radili na NuSei i znali su da podaci na rubu ponekad nisu pouzdani, krenuli su u izgradnju eksperimenta koji bi mogao komotno istražiti veći raspon zamaha antikvarka. Nazvali su ga SeaQuest.

U eksperimentu protoni pogađaju dvije mete: bočicu vodika, koja je u osnovi skupina protona, i bočicu deuterija – atoma s jednim protonom i jednim neutronom u jezgri.

Kad proton pogodi bilo koju metu, jedan od njegovih valentnih kvarkova ponekad se uništi s jednim od antikvarkova u ciljanom protonu ili neutronu.

“Kad se dogodi uništenje, to ima jedinstveni potpis”, rekao je Reimer, dajući mion i antimun. Te se čestice, zajedno s ostalim “smećem” nastalim u sudaru, tada susreću sa onim starim željeznim pločama. „Mioni mogu proći; sve ostalo prestaje ”, rekao je. Otkrivanjem miona s druge strane i rekonstrukcijom njihovih izvornih putova i brzina, “možete raditi unatrag da biste utvrdili koliki zamah nose antikvarkovi.”

Budući da se protoni i neutroni međusobno zrcale – svaki ima čestice gornjeg tipa umjesto čestica drugog tipa dolje, i obrnuto – usporedba podataka iz dvije bočice izravno ukazuje na odnos donjih antikvarkova prema gore antikvarkovima u protonu – izravno , odnosno nakon 20 godina rada.

Novi podaci – koji pokazuju postupno rastući, zatim izravnavajući, omjer prema dolje, a ne nagli preokret – također se slažu s fleksibilnijim statističkim modelom tvrtke Bourrely i tvrtke. Ipak, Miller ovaj suparnički model naziva “opisnim, a ne prediktivnim”, jer je podešen da stane u podatke, a ne da identificira fizički mehanizam koji stoji iza donjeg antikvarka.

Suprotno tome, “ono na što sam zaista ponosan u našem izračunu je da je to bilo istinsko predviđanje”, rekao je Alberg. “Nismo birali nijedan parametar.”

U e-pošti Bourrely je tvrdio da je “statistički model snažniji od onog Alberga i Millera”, budući da uzima u obzir eksperimente rasipanja u kojima čestice jesu i nisu polarizirane.

Miller se žestoko nije složio, napominjući da pionski oblaci ne objašnjavaju samo sadržaj antimaterije u protonu, već magnetske trenutke različitih čestica, raspodjelu naboja i vrijeme raspadanja, kao i “vezivanje, a time i postojanje svih jezgri”. Dodao je da je pionski mehanizam “važan u širem smislu zašto jezgre postoje, zašto mi postojimo”.

U krajnjoj potrazi za razumijevanjem protona, odlučujući čimbenik može biti njegov spin ili unutarnji kutni zamah. Eksperiment s raspršivanjem miona krajem 1980-ih pokazao je da spinovi tri valentna kvarka protona čine ne više od 30 posto ukupnog spinova protona. “Kriza rotacije protona” je: Što doprinosi ostalih 70 posto?

Još jednom, rekao je Brown, starac Fermilaba, “mora se nešto drugo događati.”

U Fermilabu, a na kraju i u planiranom Electron-Ion Collideru Nacionalnog laboratorija Brookhaven, eksperimentatori će ispitivati okretanje protonskog mora. Već Alberg i Miller rade na proračunima punog protona “oblaka mezona” koji okružuje protone, što uključuje, zajedno s pionima, rjeđe “rho mezone”.

Pioni ne posjeduju spin, ali rho-mezoni, pa moraju doprinijeti ukupnom vrtnju protona na način na koji će se Alberg i Miller nadati.

Fermilabov eksperiment SpinQuest, koji uključuje mnoge iste ljude i dijelove kao i SeaQuest, “gotovo je spreman za rad”, rekao je Brown. „Srećom uzet ćemo podatke ovog proljeća; ovisit će “- barem djelomično -” o napretku vakcine protiv virusa.

Zabavno je što pitanje koje je tako duboko i nejasno unutar jezgre ovisi o odgovoru ove zemlje na virus Covid. Svi smo međusobno povezani, zar ne? “

Izvor : Wired