Kërkimi i gjatë me dekada zbulon detaje të antimateries së brendshme të Protonit

Shpesh nuk përmendet se protonet, grimcat e lëndës së ngarkuar pozitivisht në qendër të atomeve, janë pjesë e antimateries. Një proton është një tufë prej tre grimcash elementare të quajtura kuarke – dy kuarkë “lart” dhe një kuarkë “poshtë”, ngarkesat elektrike të të cilit (përkatësisht +2/3 dhe -1/3) kombinohen për të dhënë protonin. ngarkesa e saj +1. Por kjo pamje e thjeshtuar mbulon një histori shumë të panjohur, ende të pazgjidhur.

Në realitet, brendësia e protonit rrotullohet me një numër të luhatshëm prej gjashtë llojesh kuarkesh, homologët e tyre antimaterie me ngarkesë të kundërt (antikuarkët) dhe grimcat “gluon” që lidhin të tjerat së bashku, shndërrohen në to dhe shumëfishohen lehtësisht. Në një farë mënyre, vorbulla e rrëshqitshme përfundon krejtësisht e qëndrueshme dhe sipërfaqësisht e thjeshtë – duke imituar, në disa aspekte, një treshe kuarkesh. “Si funksionon gjithçka, kjo është sinqerisht diçka si një mrekulli,” tha Donald Geesaman, një fizikan bërthamor në Laboratorin Kombëtar Argonne në Illinois.

Tridhjetë vjet më parë, studiuesit zbuluan një tipar të mrekullueshëm të këtij “deti proton”. Teoricienët kishin pritur që ajo të përmbante një përhapje të barabartë të llojeve të ndryshme të antimateries; në vend të kësaj, antikuarkët e vegjël dukej se ishin dukshëm më të mëdhenj se antikuarkët. Më pas, një dekadë më vonë, një grup tjetër pa sugjerime të variacioneve të çuditshme në raportin antikuark poshtë-lart. Por rezultatet ishin pikërisht në kufirin e ndjeshmërisë së eksperimentit.

Kështu, 20 vjet më parë, Geesaman dhe një koleg, Paul Reimer, filluan një eksperiment të ri për të hetuar. Ai eksperiment, i quajtur SeaQuest, më në fund ka përfunduar dhe studiuesit raportojnë gjetjet e tyre sot në revistën Nature. Ata matën antimaterien e brendshme të protonit në më shumë detaje se kurrë më parë, duke zbuluar se ka mesatarisht 1.4 antikuarkë poshtë për çdo antikuark lart.

Të dhënat favorizojnë menjëherë dy modele teorike të detit proton. “Kjo është prova e parë e vërtetë që mbështet ato modele që kanë dalë,” tha Reimer.

Njëri është modeli i “resë pion”, një qasje popullore, dekada e vjetër që thekson tendencën e protonit për të emetuar dhe rithithur grimcat e quajtura pione, të cilat i përkasin një grupi grimcash të njohura si mesone. Modeli tjetër, i ashtuquajturi model statistikor, e trajton protonin si një enë plot me gaz.

Eksperimentet e planifikuara në të ardhmen do t’i ndihmojnë studiuesit të zgjedhin midis dy fotografive. Por cilido model të jetë i duhuri, të dhënat e forta të SeaQuest për antimaterinë e brendshme të protonit do të jenë menjëherë të dobishme, veçanërisht për fizikantët që thyejnë protonet së bashku me shpejtësi pothuajse të dritës në Përplasësin e Madh të Hadronit në Evropë. Kur ata e dinë saktësisht se çfarë ka në objektet që përplasen, ata mund të kalojnë më mirë nëpër mbeturinat e përplasjes duke kërkuar prova të grimcave ose efekteve të reja. Juan Rojo i Universitetit VU të Amsterdamit, i cili ndihmon në analizimin e të dhënave të LHC, tha se matja e SeaQuest “mund të ketë një ndikim të madh” në kërkimin e fizikës së re, e cila aktualisht “është e kufizuar nga njohuritë tona për strukturën e protonit, veçanërisht për përmbajtjen e saj antimateries”. .”

Për një periudhë të shkurtër rreth gjysmë shekulli më parë, fizikanët menduan se e kishin renditur protonin.

Në vitin 1964, Murray Gell-Mann dhe George Cweig propozuan në mënyrë të pavarur atë që u bë i njohur si modeli i kuarkut – ideja që protonet, neutronet dhe grimcat më të rralla të lidhura me to janë tufa prej tre kuarkesh (siç i quajti Gell-Mann), ndërsa pionët dhe mezonet e tjerë janë bërë nga një kuark dhe një antikuark. Skema kishte kuptim të kakofonisë së grimcave që spërkateshin nga përshpejtuesit e grimcave me energji të lartë, pasi spektri i tyre i ngarkesave mund të ndërtohej i gjithë nga kombinime dy dhe tre pjesësh. Më pas, rreth vitit 1970, studiuesit në përshpejtuesin SLAC të Stanford-it dukej se konfirmuan triumfalisht modelin e kuarkut kur qëlluan elektrone me shpejtësi të lartë në protonet dhe panë që elektronet të largoheshin nga objektet brenda.

Por fotografia shpejt u bë më e errët. “Ndërsa filluam të përpiqeshim të masnim vetitë e atyre tre kuarkeve gjithnjë e më shumë, zbuluam se kishte disa gjëra shtesë që po ndodhnin,” tha Chuck Brown, një anëtar 80-vjeçar i ekipit SeaQuest në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit Fermi. i cili ka punuar në eksperimentet e kuarkut që nga vitet 1970.

Shqyrtimi i vrullit të tre kuarkeve tregoi se masat e tyre përbënin një pjesë të vogël të masës totale të protonit. Për më tepër, kur SLAC gjuajti elektrone më të shpejta në protone, studiuesit panë që elektronet të largoheshin nga më shumë gjëra brenda. Sa më të shpejta të jenë elektronet, aq më të shkurtra janë gjatësitë e tyre valore, gjë që i bëri ata të ndjeshëm ndaj veçorive më të imta të protonit, sikur të kishin rritur rezolucionin e një mikroskopi. Gjithnjë e më shumë grimca të brendshme u zbuluan, në dukje pa kufi. Nuk ka asnjë rezolutë më të lartë “për të cilën ne dimë”, tha Geesaman.

Rezultatet filluan të kishin më shumë kuptim ndërsa fizikanët përpunuan teorinë e vërtetë që modeli i kuarkut vetëm përafrohet: kromodinamika kuantike, ose QCD. Formuluar në vitin 1973, QCD përshkruan “forcën e fortë”, forcën më të fortë të natyrës, në të cilën grimcat e quajtura gluone lidhin tufa kuarkesh.

QCD parashikon vetë vorbullën që vëzhguan eksperimentet e shpërndarjes. Komplikimet lindin sepse gluonët ndjejnë vetë forcën që mbajnë. (Ato ndryshojnë në këtë mënyrë nga fotonet, të cilat mbartin forcën më të thjeshtë elektromagnetike.) Ky vetë-përballim krijon një moçal brenda protonit, duke u dhënë gluonëve frerë të lirë të lindin, të shumohen dhe të ndahen në çifte kuark-antikuark jetëshkurtër. Nga larg, këta kuarkë dhe antikuarkë të vendosur ngushtë, me ngarkesë të kundërt, anulohen dhe kalojnë pa u vënë re. (Vetëm tre kuarkë “valorë” të pabalancuar – dy ngritje dhe një poshtë – kontribuojnë në ngarkesën e përgjithshme të protonit.) Por fizikantët e kuptuan se kur qëlluan në elektrone më të shpejtë, ata po goditnin objektivat e vegjël.