Ученые впервые измерили давление в протоне и оно феноменально!

02.06.2018

Маленький да удаленький!

Впервые в истории физикам удалось измерить давление внутри протона — и оно превзошло все ожидания! Раньше такая задача считалась невозможной.

Исследователи смогли измерить силы притяжения и отталкивания между троицей кварков протона, обстреливая их быстрыми электронами. Это позволило приподнять полог тайны над одним из самых стабильных строительных кирпичиков Вселенной.

Физик Латифа Элуадрири (Latifa Elouadrhiri) из Лаборатории Джефферсона сравнивает наше представление о структуре протона с человеческим сердцем: не так уж много можно понять, слушая только биение.

“Сейчас у нас есть технологии медицинского 3D сканирования, которые позволяют докторам неинвазивно изучать структуру сердца, — объясняет Элуадрири в интервью журналу Nature. — Именно это мы хотим совершить в рамках нового поколения экспериментов.”

Мы уже относительно давно знаем, что протоны состоят из трех кварков — двух u-кварков (верхних кварков от слова up) и одного d-кварка (нижний кварк от слова down), отсюда обозначение uud. Сильное ядерное взаимодействие удерживает эти кварки вместе.

Но помимо этого, внутренняя структура протона долгое время оставалась загадкой. Очевидно, что кварки сильно притягиваются друг к другу, но должна быть и сила отталкивания, которая не возволяет им столкнуться. 

Чтобы измерить, как плотно эти частички взаимодействуют друг с другом, исследователи объединили две различные теоретические парадигмы. Причем применение одной из них напрямую на практике до сих пор считалось почти невозможным.

Энергия и импульс внутренних составляющих протона закодированы в так называемых гравитационных формфакторах.

Гравитация — это настолько слабая сила, что ей почти не уделяют внимания в физике частиц, особенно на фоне более сильных факторов. Но глубоко внутри протона на гравитационное поле воздействуют энергия и импульс частицы.

К сожалению, эта идея оставалась “интересной в теории”. В 1966 году американский физик Хайнц Пэйгелс (Heinz Pagels) описал это процесс в статье, тут же указав на его практическую бесполезность, ведь, еще раз, гравитация — это очень слабая сила.

Но Пэйглс тогда просто не мог предсказать развитие теоретической парадигмы, которая в итоге связала поведение электромагнитной силы с гравитационными формфакторами. Другими словами, ученые позже обнаружили, что электроны могут стать заменой гравитационноого зонда.

“В этом есть особая красота. Вы знаете о карте, которую, как вы думаете, вы никогда не получите, — говорит Элуадрири. — Но вот наступило сегодня, и мы заполняем ее электромагнитным зондом.”

Ключом к решению задачи стал эффект Комптона, который описывает взаимодействие между фотонами света и заряженной частицей, к примеру, электроном.

studfiles.net
studfiles.net

В нашем случае, физики увеличили ускорение электрона, пока длина волны не стала достаточно узкой, чтобы проникнуть в протон. Затем они наблюдали за рассеянием полученными фотонами, сравнивая характеристики с информацией о протоне и ускоренном электроне, чтобы определить, как кварки отреагировали на удар.

Это рассеяние дало ученым схему энергии и импульсов, которая и позволила описать экстремальное давление в центре протона, которое не дает протону схлопнуться.

Чтобы компенсировать это отталкивание, его противоборствует равное давление, удерживающее кварки вместе.

Оказывается, притяжение кварков равняется 100 дециллионамПаскалей. Это 1 с 35 нулями.

Представьте нейтронную звезду, в которой материя сжата до такой степени, что гора способна поместиться на чайную ложку. Так вот команда исследователей утверждает, что давление кварков в 10 раз сильнее.

wiki
wiki

Дальше команда собирается использовать тот же метод, чтобы лучше понять внутреннюю механику протона, вычислить задействованные силы и в итоге выстроить картину того, как двигаются кварки.

Лучшее понимание структуры протона позволит нам понять, могут ли они распадаться.

На данный момент их считают достаточно стабильными, чтобы пережить Вселенную (и даже дольше), но знания о том, как и когда они распадаются, даст нам ценные подсказки о других фундаментальных аспектах космоса.

 — 

Исследование было опубликовано в Nature.

Теперь мы есть и в ICQ :) и Там Там

(это для тех кто не читает нас в Телеграм)