Het blijkt dat de massastraal van het proton korter is dan de straal van de lading – Ars Technica

Het blijkt dat de massastraal van het proton korter is dan de straal van de lading – Ars Technica
In zoomen / Jefferson Lab-versneller, waar het werk werd gedaan. Elektronen in het ovaal bovenaan in het midden worden naar verschillende ondergrondse doelkamers gestuurd (cirkels rechtsonder).

Als je vraagt ​​hoeveel een object als een fiets weegt, is er een eenvoudig antwoord. Maar als je vraagt ​​waar de massa van de fiets is, wordt het een beetje ingewikkelder. Een fiets heeft veel onderdelen – waarvan sommige bewegen – die allemaal verschillende maten, vormen en dichtheden hebben, dus de massa is onregelmatig rond zijn vorm verdeeld.

Tot op zekere hoogte is dit analoog aan de vraag waar de massa van een proton is. Een proton is een verzameling quarks en gluonen die met relativistische snelheden rond een centraal punt bewegen. Het zou moeilijk te zeggen zijn waar de levensduur van de groep zou zijn, zelfs zonder het feit dat de analogie met fietsen volledig mislukt vanwege één gênant feit: een proton weegt veel meer dan zijn samenstellende quarks, en de gluonen die de quarks bij elkaar houden, zijn massaloos. In feite is de massa van de betrokken deeltjes enigszins irrelevant. “Als je berekeningen uitvoert waarbij je de massa van de quark op nul zet, is een proton vrijwel hetzelfde”, vertelde natuurkundige Sylvester Johannes Josten aan Ars.

In plaats daarvan komt een groot deel van de massa van een proton voort uit de ongelooflijk hoge energiedichtheid die wordt gegenereerd door de sterke krachtinteracties van de gluonen. Dus om de massa van een proton te begrijpen, moeten we begrijpen wat gluonen moeten doen. Wat, omdat het massaloos is en geen lading heeft, buitengewoon moeilijk is om te doen. Maar wat experimenteel werk heeft een waarde gecreëerd voor de massastraal van het proton, die de massaverdeling binnen het deeltje beschrijft. En het blijkt dat de waarde aanzienlijk verschilt van de straal van de lading van het proton.

READ  Japan's Switch Online krijgt de Sega Mega-drive-controller met zes knoppen

Inademing van gluonen

Gluonen zonder massa of lading zijn erg moeilijk te detecteren; We leiden voornamelijk af waar ze moeten zijn uit het puin dat ze helpen creëren bij deeltjesbotsingen. Tot op zekere hoogte kunnen we hun gedrag modelleren, maar dit wordt voornamelijk beschreven door kwantumchromodynamica, die legendarisch is vanwege het vermogen om enorme rekenbronnen op hun knieën te krijgen. Dus zelfs onze beste modellen van gluongedrag zijn benaderingen.

Als de massa van een proton voornamelijk afhangt van zijn gluonen, en we kunnen niet weten wat de gluonen doen, hoe kunnen we dan weten wat er aan de hand is?

De truc was om een ​​proces te identificeren dat detecteerbaar zou zijn, maar gevoelig voor de aanwezigheid van gluonen. Dit proces is de omzetting van energie (in de vorm van licht) in materie. Concreet kan een foton met voldoende energie worden omgezet in een zogenaamd J/meson, bestaande uit een charm-quark en een charm-antiquark door een delicaat proces waarbij gluonen worden gevormd tot eventuele nabije protonen. Door de productie van J/mesonen te meten, is het mogelijk iets te bepalen dat gluon-zwaartekrachtvormfactoren worden genoemd en die beschrijven waar massa zich in een proton bevindt.

Hoe dat moet, is bijna net zo complex als de procesbeschrijving in de bovenstaande paragraaf. Het begint met een bundel hoogenergetische elektronen, geproduceerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Deze elektronen worden vervolgens in hun reisrichting heen en weer bewogen in een proces met een zeer technische naam: wiebelen. Hierdoor verliezen ze energie, die ze vrijgeven in de vorm van hoogenergetische fotonen.

Deze fotonen worden vervolgens door een kamer gestuurd die een container met vloeibare waterstof bevat. Bij het oversteken van het bassin zullen sommige fotonen worden omgezet in J/mesonen die onmiddellijk zullen vervallen. Twee van de producten van dit verval zijn het elektron en het positron, die kunnen worden opgevangen door detectoren, waardoor de productie van J/mesonen kan worden geregistreerd. Op basis van deze ontdekkingen is het mogelijk om opnieuw te werken en de vormfactoren van gluon-zwaartekracht te achterhalen.

READ  Gerucht: er is mogelijk een nieuwe stemacteur voor Mario ontdekt

(Merk op dat ik niet eens probeer een analogie te vinden voor de gluon-zwaartekrachtvormfactoren die je zouden helpen ze te begrijpen. Ze worden in het artikel beschreven als “matrixelementen van de energie-impulstensor van een proton en coderen voor de mechanische eigenschappen van het proton, terwijl het anomalie-effect van de energie-impulstensor een belangrijk onderdeel is van de oorsprong van massa volgens de kwantumchromodynamica.” Je moet gewoon alle betrokkenen vertrouwen dat het een terminologie is die de relatie tussen gluonen en massa helpt beschrijven. )

Hier en daar

Met de beschikbare gegevens hadden de onderzoekers alleen een model van het gedrag van gluonen nodig om hun bevindingen te relateren aan wat er in het proton gebeurt. Helaas hebben natuurkundigen verschillende modellen geproduceerd, opnieuw omdat directe berekening van alles wat met kwantumchromodynamica te maken heeft, bijna onmogelijk is op de huidige hardware. De beschikbare modellen zijn dus meestal alternatieve manieren om benaderingen te maken waarmee computers iets nuttigs kunnen produceren.

Voor het grootste deel leverde een verscheidenheid aan schattingen redelijk vergelijkbare antwoorden op, hoewel het een beetje erger werd met fotonen met lagere energie, die nauwelijks genoeg energie hebben om om te zetten in iets met J / m-massa. Verschillende benaderingen geven echter ruwe overeenstemming over waar de massa van het proton zich bevindt, en dus de massastraal van het proton.

Het verbazingwekkende aan het resultaat is dat het verschilt van de straal van de lading van een proton. Hoewel er enkele verschillen zijn tussen de verschillende methoden om de straal van een lading te meten, zijn de verschillen relatief klein. En alle metingen stellen de ladingsstraal apart van de massastraal. Aangezien de lading een product is van de quarks, geeft dit aan dat deze deeltjes regelmatig buiten het gebied cirkelen dat wordt bezocht door gluonen die bezig zijn het hele proton bij elkaar te houden.

READ  Met de WhatsApp-functie kun je verborgen berichten maken

Maar Justine zei dat er aanwijzingen zijn dat de situatie ingewikkelder is. De reacties die J-mesonen vormden, vereisten de uitwisseling van gluonen waarvan de spins waren uitgelijnd. Het is ook mogelijk om gluonen uit te wisselen die tegengestelde spins hebben, scalaire interactie genoemd. En er zijn enkele aanwijzingen dat de standaardradius ook anders is.

“Je zou een aantal standaard stralen moeten verwachten,” zei Justin. “We zien iets enorms. Het is veel groter – zoals deze grote halo die rond het proton gaat.”

Een voorbehoud hierbij is dat Joosten zei dat de bevindingen zeer voorlopig zijn: “Dit is niet iets dat we hebben gevonden, dit is iets dat we in toekomstige onderzoeken willen onderzoeken.” De andere is dat zijn gebruik van de term ‘enorm’ relatief is; Dit gebeurt allemaal in een subatomair deeltje.

Maar als de resultaten standhouden, geven ze aan dat een proton ten minste drie verschillende stralen heeft: lading, massa en kaliber, en ze hebben allemaal verschillende lengtes.

En dit is waar de fietsanalogie weer logisch kan worden. Je verwacht tenslotte niet dat het zwaartepunt van een fiets zich op dezelfde locatie bevindt als de pedalen of waar de besturing plaatsvindt. Hoewel het een enkel organisme is, betekent zijn samengestelde aard dat deze verschillende aspecten van zijn gedrag niet noodzakelijkerwijs lokaal gemeen zijn. Hetzelfde lijkt te gelden voor het proton.

Natuur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05730-4 (over DOI’s).

You May Also Like

About the Author: Ebert Brink

'Reader. Furious humble travel enthusiast. Extreme food scientist. Writer. Communicator.'

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *