Dwadzieścia lat temu fizycy postanowili zbadać tajemniczą asymetrię we wnętrzu protonu. Opublikowane teraz
wyniki badań pokazują, w jaki sposób antymateria pomaga stabilizować jądro każdego atomu.
Często nie wspomina się o tym, że protony, dodatnio naładowane cząstki materii znajdujące się w centrum atomów, są częścią antymaterii.
W szkole uczymy się, że proton jest wiązką trzech cząstek elementarnych zwanych kwarkami - dwóch kwarków "górnych" i jednego kwarka "dolnego", których ładunki elektryczne (odpowiednio +2/3 i -1/3) łączą się, dając protonowi ładunek +1. Jednak ten uproszczony obraz pomija o wiele dziwniejszą, nierozwiązaną do tej pory historię.
W rzeczywistości we wnętrzu protonu wiruje zmienna liczba sześciu rodzajów kwarków, ich przeciwnie naładowanych odpowiedników z antymaterii (antykwarków) oraz cząstek "gluonów", które wiążą pozostałe razem, przekształcają się w nie i łatwo się mnożą. W jakiś sposób ten burzliwy wir kończy się doskonale stabilny i powierzchownie prosty - naśladując pod pewnymi względami trio kwarków. "To, jak to wszystko się udaje, jest zupełnym cudem" - powiedział Donald Geesaman, fizyk jądrowy z Argonne National Laboratory w Illinois.
Trzydzieści lat temu naukowcy odkryli uderzającą cechę tego "protonowego morza". Teoretycy spodziewali się, że będzie ono zawierać równomiernie rozłożone różne rodzaje antymaterii; zamiast tego, dolne antykwarki zdawały się znacznie przeważać nad antykwarkami górnymi. Dekadę później, inna grupa zaobserwowała wskazówki dotyczące zagadkowych zmian w proporcji dolnych antykwarków do antykwarków górnych. Jednak wyniki były na granicy czułości eksperymentu.
Dlatego 20 lat temu Geesaman i jego kolega Paul Reimer rozpoczęli nowy eksperyment. Eksperyment ten, nazwany SeaQuest, został wreszcie zakończony, a naukowcy przedstawili teraz woje wyniki w czasopiśmie Nature. Zmierzyli oni wewnętrzną antymaterię protonu w sposób bardziej szczegółowy niż kiedykolwiek wcześniej, stwierdzając, że na każdy antykwark górny przypada średnio 1,4 antykwarka dolnego.
Dane te natychmiast faworyzują dwa teoretyczne modele morza protonowego. "To pierwszy prawdziwy dowód na poparcie tych modeli, który się pojawił" - powiedział Reimer.
Jeden z nich to model "chmury pionów", popularne, znane od dziesięcioleci podejście, które podkreśla tendencję protonu do emitowania i reabsorbowania cząstek zwanych pionami, które należą do grupy cząstek znanych jako mezony. Drugi model, tak zwany model statystyczny, traktuje proton jak pojemnik wypełniony gazem.
Planowane w przyszłości eksperymenty pomogą naukowcom wybrać pomiędzy tymi dwoma obrazami. Jednak niezależnie od tego, który model jest właściwy, twarde dane uzyskane dzięki SeaQuest na temat wewnętrznej antymaterii protonu będą natychmiast użyteczne, zwłaszcza dla fizyków, którzy rozbijają protony z prędkością bliską prędkości światła w europejskim Wielkim Zderzaczu Hadronów. Wiedząc, co dokładnie znajduje się w zderzających się obiektach, będą mogli lepiej przeanalizować szczątki w poszukiwaniu dowodów na istnienie nowych cząstek lub efektów. Juan Rojo z Uniwersytetu VU w Amsterdamie, który pomaga analizować dane z LHC, powiedział, że pomiar SeaQuest "może mieć duży wpływ" na poszukiwanie nowej fizyki, które obecnie jest "ograniczone przez naszą wiedzę o strukturze protonu, w szczególności o jego zawartości antymaterii".
Potrójne towarzystwo
Przez krótki okres około pół wieku temu, fizycy myśleli, że mają proton posortowany.
W 1964 r. Murray Gell-Mann i George Zweig niezależnie zaproponowali to, co stało się znane jako model kwarkowy - pomysł, że protony, neutrony i pokrewne rzadsze cząstki są wiązkami trzech kwarków (jak nazwał je Gell-Mann), podczas gdy piony i inne mezony składają się z jednego kwarka i jednego antykwarka. Schemat ten nadawał sens kakofonii cząstek wylatujących z wysokoenergetycznych akceleratorów cząstek, ponieważ ich spektrum ładunków można było zbudować z dwu- i trzyczęściowych kombinacji. Około 1970 r. badacze ze stanfordzkiego akceleratora SLAC zdawali się triumfalnie potwierdzać model kwarkowy, gdy wystrzeliwali szybkie elektrony w kierunku protonów i widzieli, jak elektrony odbijają się rykoszetem od obiektów znajdujących się wewnątrz.
Lecz wkrótce obraz stał się bardziej mroczny. "Gdy zaczęliśmy coraz dokładniej mierzyć właściwości tych trzech kwarków, odkryliśmy, że dzieje się coś jeszcze" - powiedział Chuck Brown, 80-letni członek zespołu SeaQuest z Fermi National Accelerator Laboratory, który pracował nad eksperymentami z kwarkami od lat 70.
Analiza pędu trzech kwarków wykazała, że ich masy stanowiły niewielki ułamek całkowitej masy protonu. Co więcej, kiedy SLAC wystrzeliwało szybsze elektrony w protony, badacze widzieli, że elektrony odbijają się od większej ilości rzeczy w środku. Im szybsze elektrony, tym krótsze były ich fale, co czyniło je wrażliwymi na bardziej drobnoziarniste cechy protonu, tak jakby zwiększono rozdzielczość mikroskopu. Coraz więcej wewnętrznych cząstek zostało ujawnionych, pozornie bez ograniczeń. Nie ma najwyższej rozdzielczości, "jaką znamy" - powiedział Geesaman.
Wyniki zaczęły nabierać sensu, gdy fizycy opracowali prawdziwą teorię, którą model kwarkowy jedynie przybliża: chromodynamikę kwantową, czyli QCD. Sformułowana w 1973 roku, QCD opisuje "siłę silną", najsilniejszą siłę natury, w której cząstki zwane gluonami łączą wiązki kwarków.
QCD przewiduje właśnie taką burzę, jaką zaobserwowano w eksperymentach z rozpraszaniem. Komplikacje wynikają z tego, że gluony odczuwają siłę, którą przenoszą. (Różnią się w ten sposób od fotonów, które przenoszą prostszą siłę elektromagnetyczną). To samooszukiwanie się tworzy impas wewnątrz protonu, dając gluonom wolną rękę w powstawaniu, rozmnażaniu się i rozszczepianiu na krótko żyjące pary kwark-antykwark. Z daleka, te blisko rozmieszczone, przeciwnie naładowane kwarki i antykwarki znoszą się i pozostają niezauważone. (Tylko trzy niezrównoważone kwarki "walencyjne" - dwa kwarki górne i jeden dolny - przyczyniają się do ogólnego ładunku protonu). Ale fizycy zdali sobie sprawę, że kiedy wystrzeliwali szybsze elektrony, trafiali w małe cele.
Jednak te dziwactwa nie ustały.
Samo zaginające się gluony sprawiają, że równania QCD są generalnie nierozwiązywalne, więc fizycy nie mogli - i nadal nie mogą - obliczyć dokładnych przewidywań teorii. Nie mieli jednak powodu, by sądzić, że gluony powinny częściej rozdzielać się na jeden typ pary kwark-antykwark - dolnego typu - niż na drugi. "Spodziewalibyśmy się, że powstaną takie same ilości obu typów" - powiedziała Mary Alberg, teoretyk jądrowy z Uniwersytetu w Seattle, wyjaśniając ówczesne rozumowanie.
Stąd szok, gdy w 1991 r. New Muon Collaboration w Genewie rozproszył miony, cięższe rodzeństwo elektronów, na protonach i deuteronach (składających się z jednego protonu i jednego neutronu), porównał wyniki i wywnioskował, że w morzu protonów wydaje się być więcej antykwarków typu dolnego niż antykwarków typu górnego.
Części protonu
Teoretycy szybko wymyślili kilka możliwych sposobów wyjaśnienia asymetrii protonu.
Jeden z nich dotyczy pionu. Od lat 40. fizycy obserwują, jak protony i neutrony przekazują sobie piony wewnątrz jąder atomowych, jak koledzy z drużyny rzucają do siebie piłki do koszykówki, co pomaga im się połączyć. Zastanawiając się nad protonem, badacze zdali sobie sprawę, że może on również podrzucać piłkę do kosza samemu sobie - to znaczy, może na krótko wyemitować i ponownie pochłonąć dodatnio naładowany pion, zamieniając się w międzyczasie w neutron. "Jeśli przeprowadzasz eksperyment i myślisz, że patrzysz na proton, to oszukujesz się, ponieważ przez pewien czas proton będzie fluktuował do pary neutron-pion," powiedział Alberg.
Konkretnie, proton zmienia się w neutron i pion składający się z jednego kwarka górnego i jednego antykwarka dolnego. Ponieważ ten fantazmatyczny pion ma antykwark dolny (pion zawierający antykwark górny nie może się tak łatwo zmaterializować), teoretycy tacy jak Alberg, Gerald Miller i Tony Thomas twierdzili, że koncepcja chmury pionów wyjaśnia zmierzoną nadwyżkę antykwarku dolnego w protonie.
Pojawiło się też kilka innych argumentów. Claude Bourrely i jego współpracownicy z Francji opracowali model statystyczny, który traktuje wewnętrzne cząstki protonu jak cząsteczki gazu w pokoju, poruszające się z rozkładem prędkości zależnym od tego, czy posiadają one całkowity czy pół-integralny moment pędu. Po dopasowaniu do danych z licznych eksperymentów rozpraszania, model przewidział nadmiar kwarków w dół.
Modele nie dawały identycznych przewidywań. Duża część całkowitej masy protonu pochodzi z energii pojedynczych cząstek, które wybuchają w i z morza protonowego, a cząstki te mają różne energie. Modele różnie przewidywały, jak powinien zmieniać się stosunek dolnnych antykwarków i górnych w miarę liczenia antykwarków o większej energii. Fizycy mierzą pokrewną wielkość zwaną frakcją pędu antykwarka.
Kiedy w 1999 r. eksperyment "NuSea" w Fermilabie zmierzył stosunek pędu antykwarka dolnego do pędu antykwarka górnego, odpowiedź "wszystkich poruszyła" - wspomina Alberg. Dane sugerowały, że wśród antykwarków o dużym pędzie - tak dużym, że znajdowały się one na samym końcu zakresu detekcji aparatury - antykwarki górne nagle stały się bardziej powszechne niż dolne. "Każdy teoretyk mówił: 'Chwileczkę'," powiedział Alberg. "Dlaczego, kiedy te antykwarki dostają większy udział w pędzie, ta krzywa miałaby zacząć się odwracać?".
Gdy teoretycy drapali się po głowach, Geesaman i Reimer, którzy pracowali nad NuSea i wiedzieli, że dane z krawędzi czasami nie są godne zaufania, postanowili zbudować eksperyment, który mógłby wygodnie zbadać większy zakres pędu antykwarków. Nazwali go SeaQuest.
Wyhodowane śmieci
Mając wiele pytań dotyczących protonu, ale niewiele pieniędzy, zaczęli składać eksperyment z używanych części. "Naszym mottem było: Reduce, reuse, recycle" - powiedział Reimer.
Zdobyli kilka starych scyntylatorów z laboratorium w Hamburgu, resztki detektorów cząstek z Los Alamos National Laboratory oraz żelazne płyty blokujące promieniowanie, po raz pierwszy użyte w cyklotronie na Uniwersytecie Columbia w latach 50-tych. Mogli wykorzystać magnes NuSea o rozmiarach pokojowych i uruchomić swój nowy eksperyment na istniejącym akceleratorze protonów Fermilabu. Zestaw Frankensteina nie był pozbawiony uroku. Sygnał dźwiękowy informujący o przepływie protonów do aparatury pochodził sprzed pięciu dekad, powiedział Brown, który pomógł znaleźć wszystkie części. "Kiedy pika, daje ci to ciepłe uczucie w brzuchu".
Stopniowo udało się go uruchomić. W eksperymencie protony uderzają w dwa cele: fiolkę z wodorem, który w zasadzie składa się z protonów, oraz fiolkę z deuterem - atomami z jednym protonem i jednym neutronem w jądrze.
Kiedy proton uderza w któryś z celów, jeden z jego kwarków walencyjnych czasami anihiluje z jednym z antykwarków w docelowym protonie lub neutronie. "Kiedy dochodzi do anihilacji, ma ona unikalną sygnaturę," mówi Reimer, dając mion i antymion. Cząstki te, wraz z innymi "śmieciami" powstałymi w wyniku zderzenia, napotykają następnie na stare płyty żelaza. "Miony mogą przez nie przejść, wszystko inne się zatrzymuje" - powiedział. Wykrywając miony po drugiej stronie i rekonstruując ich pierwotne drogi i prędkości, "można pracować wstecz, aby ustalić jaki ułamek pędu mają antykwarki".
Ponieważ protony i neutrony odzwierciedlają się nawzajem - każdy z nich ma cząstki typu górnego w miejsce cząstek typu dolnego drugiego i odwrotnie - porównanie danych z dwóch fiolek bezpośrednio wskazuje na stosunek antykwarków typu dolnego do antykwarków typu górnego w protonie - bezpośrednio, czyli po 20 latach pracy.
W 2019 roku Alberg i Miller obliczyli, co SeaQuest powinien zaobserwować w oparciu o ideę chmury pionowej. Ich przewidywania dobrze pasują do nowych danych z SeaQuest.
Nowe dane - które pokazują stopniowo wzrastający, a następnie malejący, stosunek dół-góra, a nie nagłe odwrócenie - zgadzają się również z bardziej elastycznym modelem statystycznym Bourrely'ego i spółki. Jednak Miller nazywa ten konkurencyjny model "opisowym, a nie predykcyjnym", ponieważ jest on dostosowany do danych, a nie do identyfikacji fizycznego mechanizmu stojącego za nadmiarem dolnych antykwarków. Dla kontrastu, "to z czego jestem naprawdę dumny w naszych obliczeniach to fakt, że było to prawdziwe przewidywanie," powiedział Alberg. "Nie zmieniliśmy żadnych parametrów".
W e-mailu, Bourrely argumentował, że "model statystyczny jest potężniejszy niż ten Alberga i Millera", ponieważ uwzględnia eksperymenty rozpraszania, w których cząstki są i nie są spolaryzowane. Miller stanowczo się z tym nie zgodził, zauważając, że chmury pionów wyjaśniają nie tylko antymaterię zawartą w protonie, ale także momenty magnetyczne różnych cząstek, rozkłady ładunków i czasy rozpadu, jak również "wiązanie, a więc istnienie, wszystkich jąder". Dodał, że mechanizm pionu jest "ważny w szerokim znaczeniu tego, dlaczego istnieją jądra, dlaczego my istniejemy."
W ostatecznym dążeniu do zrozumienia protonu, czynnikiem decydującym może być jego spin, czyli wewnętrzny moment pędu. Eksperyment z rozpraszaniem mionów przeprowadzony pod koniec lat 80-tych wykazał, że spiny trzech kwarków walencyjnych protonu stanowią nie więcej niż 30% jego całkowitego spinu. Kryzys spinu protonu" polega na tym: Co składa się na pozostałe 70%? Po raz kolejny, powiedział Brown, stary wyjadacz z Fermilabu, "musi się dziać coś innego".
W Fermilabie, a ostatecznie w planowanym Zderzaczu Elektronowo-Jonowym Brookhaven National Laboratory, eksperymentatorzy będą badać spin morza protonów. Już teraz Alberg i Miller pracują nad obliczeniami pełnej "chmury mezonowej" otaczającej protony, w skład której wchodzą, obok pionów, rzadsze "mezony rho". Piony nie posiadają spinu, ale mezony rho tak, więc muszą mieć swój udział w ogólnym spinie protonu w sposób, który Alberg i Miller mają nadzieję określić.
Eksperyment SpinQuest w Fermilab, w którym bierze udział wiele z tych samych osób i części co w SeaQuest, jest "prawie gotowy do rozpoczęcia", powiedział Brown. Przy odrobinie szczęścia będziemy zbierać dane tej wiosny; będzie to zależeć" - przynajmniej częściowo - "od postępów szczepionki przeciwko wirusowi". To zabawne, że odpowiedź na pytanie tak głębokie i niejasne zależy od reakcji tego kraju na wirusa COVID. Wszyscy jesteśmy wzajemnie powiązani, nieprawdaż?".
Źródło: quantamagazine.org
