Взгляд на внутреннюю структуру протона показывает, почему его масса не равна его размеру
Скромный протон — стержень материальной Вселенной. Его характеристики определяют химию, управляя группами электронов, которые превращают атомы в молекулы, а молекулы — в ослепительную сложность.
Что бы мы ни понимали в его поведении, внутренняя структура протона представляет собой хаотический беспорядок активности, которую ученые все еще пытаются расшифровать. .
Новый эксперимент, проведенный в Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона при Министерстве энергетики США, проливает свет на эту загадку, раскрывая больше информации о внутренностях протона и о том, как устроена сама материя в мельчайших масштабах.
>
Исследователи со всех концов США смогли измерить движения крошечных фундаментальных частиц, называемых глюонами, которые удерживают протоны вместе. Это измерение, ранее называвшееся глюонным гравитационным форм-фактором протона, действует как своего рода окно в структуру массы положительно заряженной ядерной частицы.
Команда обнаружила, что радиус массы протона варьируется. от радиуса, покрывающего распределение его электрического заряда, часто используемого в качестве косвенного показателя размера протона. Хотя эти значения не обязательно должны совпадать, различия между ними могут рассказать ученым больше о том, как устроен протон.
«Радиус этой массовой структуры меньше, чем радиус заряда, и так что это как бы дает нам представление об иерархии массы и структуры заряда нуклона», — говорит Марк Джонс, старший научный сотрудник Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона в Вирджинии.
Поскольку глюонам не хватает заряда и массы, их измерения должны производиться косвенно, например, по продуктам распада пар кварков и антикварков, известных как мезоны. В эксперименте использовались электронный и фотонный лучи, проходящие через жидкий водород, что привело к взаимодействиям, в результате которых образовался тип мезона, называемый частицей J/ψ.
Путем измерения выпадения из J /ψ частиц и сравнив результаты с теоретическими моделями, ученые рассчитали различные распределения массы и электрического заряда внутри протона.
Больший радиус электрического заряда означает, что масса протона сконцентрирована, что предполагает некоторое глюонов могут выходить за пределы кварков, несущих массу, возможно ограничивая их.
Не позволяйте вездесущей природе протона обмануть вас. Под капотом это жужжание странностей, квантовые частицы появляются и исчезают таким образом, что это сложно картировать. Дополнительные знания о структуре массы и заряда протона основаны на нашем фундаментальном понимании частиц, из которых состоит окружающая нас Вселенная.
Однако предстоит еще много работы. Эти результаты частично основаны на теоретических моделях, упомянутых в дополнение к экспериментальным наблюдениям, и пока неясно, как именно распределяется масса протона и как она связана с глюонной активностью.
Уже запланированы дальнейшие исследования, включая различные инструменты и экспериментальные методы и более высокий уровень точности. Вскоре мы, возможно, узнаем, что именно делает протон.
«Суть для меня в том, что сейчас есть волнение», — говорит Мезиани. «Можем ли мы найти способ подтвердить то, что мы видим? Приживется ли эта новая информация об изображении?»
«Но для меня это действительно очень интересно. Потому что, если я сейчас подумаю о протоне, сейчас у нас больше информации об этом, чем когда-либо раньше».
Исследование опубликовано в Nature.
