فیزیکدانان هسته ای در آزمایشگاه جفرسون تعیین می کنند توزیع نیروی قوی در داخل پروتون با استفاده از چارچوبی که با گرانش جفت شده است، راه جدیدی را برای کشف باز می کند.
نیوپورت نیوز، ویرجینیا – نیروی گرانش در جهان مرئی ما گسترده است. می توان آن را در قفل قمرها در حین چرخش آنها به دور سیارات مشاهده کرد. در دنباله‌دارهای سرگردانی که توسط ستاره‌های عظیم از مسیر خارج شده‌اند. و در گرداب کهکشان های غول پیکر. این نمایشگرهای شگفت انگیز تأثیر گرانش را بر بزرگترین مقیاس های ماده نشان می دهند. اکنون فیزیکدانان هسته ای در حال کشف هستند که گرانش حتی در کوچکترین مقیاس های ماده چیزهای زیادی برای ارائه دارد.
تحقیقات جدید انجام شده توسط فیزیکدانان هسته ای در tتاسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده iاز روشی استفاده کرد که نظریه های گرانش را با فعل و انفعالات بین کوچکترین ذرات ماده مرتبط می کند تا جزئیات جدیدی را در این مقیاس کوچکتر آشکار کند. این تحقیق برای اولین بار تصویری از توزیع نیروی قوی در داخل پروتون را نشان داد. این عکس فوری تنش برشی را که این نیرو می‌تواند بر ذرات کوارکی که پروتون را تشکیل می‌دهند اعمال کند، توضیح می‌دهد. نتیجه به تازگی در منتشر شده است بررسی فیزیک مدرن.
به گفته نویسنده اصلی این مطالعه، دانشمند اصلی آزمایشگاه جفرسون، فولکر برکرت، این اندازه گیری بینشی از محیط تجربه شده توسط بلوک های سازنده پروتون ارائه می دهد. پروتون ها از سه کوارک ساخته شده اند که توسط نیروی قوی به یکدیگر متصل شده اند.
بورکرت توضیح داد: «در اوج خود، بیش از چهار تن نیرویی است که باید به یک کوارک اعمال کرد تا آن را از پروتون بیرون بکشد». طبیعت، البته به ما اجازه نمی دهد که فقط یک کوارک را از پروتون جدا کنیم، زیرا کوارک ها دارای خاصیتی هستند که «رنگ» نامیده می شود. دارای سه رنگ است که کوارک ها را در پروتون مخلوط می کنند تا از بیرون بی رنگ به نظر برسد که لازمه وجود آن در فضا است. تلاش برای حذف یک کوارک رنگی از پروتون، یک جفت کوارک/آنتی کوارک بی رنگ، یک مزون، با استفاده از انرژی که برای جدا کردن کوارک صرف می‌کنید، تولید می‌کند و یک پروتون (یا نوترون) بی‌رنگ را پشت سر می‌گذارد. بنابراین 4 تن تصویری از قدرت نیرویی است که در پروتون وجود دارد.
نتیجه تنها دومین خاصیت مکانیکی اندازه گیری شده پروتون است. خواص مکانیکی پروتون شامل فشار داخلی آن است (در سال 2018 اندازه گیری شد)، توزیع جرم آن (اندازه فیزیکی)، تکانه زاویه ای آن، و تنش برشی آن (در اینجا نشان داده شده است). نتیجه با پیش‌بینی نیم قرن پیش و داده‌های دو دهه پیش ممکن شد.
در اواسط دهه 1960 بود این نظریه را مطرح کرد که اگر فیزیکدانان هسته‌ای بتوانند نحوه تعامل گرانش با ذرات زیراتمی مانند پروتون را ببینند، چنین آزمایش‌هایی می‌توانند مستقیماً خواص مکانیکی پروتون را آشکار کنند.
“اما در آن زمان هیچ راهی وجود نداشت. اگر شما مقایسه کنید جاذبه زمین با بر نیروی الکترومغناطیسیمثلا اونجا 39 مرتبه قدر است از تفاوت – اسo کاملاً ناامیدکننده است، اینطور نیست؟لطیفه الوادریری، دانشمند آزمایشگاه جفرسون و یکی از نویسندگان این مطالعه توضیح داد.
داده‌های چند دهه‌ای از آزمایش‌های انجام‌شده با تأسیسات شتاب‌دهنده پرتو الکترونی پیوسته (CEBAF) آزمایشگاه جفرسون، که یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE است، به دست می‌آیند. یک آزمایش معمولی CEBAF شامل یک الکترون پرانرژی است که با تبادل بسته ای از ذره با ذره دیگر برهمکنش می کند. انرژی و واحد اندازه حرکت زاویه ای فوتون مجازی با ذره نامیده می شود. انرژی الکترون دیکته می کند که با کدام ذرات از این طریق برهمکنش داشته باشد و چگونه واکنش نشان دهند.
در این آزمایش، نیرویی بسیار بیشتر از چهار تن مورد نیاز برای جدا کردن یک جفت کوارک/آنتی کوارک توسط پرتو الکترونی پرانرژی که با پروتون در یک هدف گاز هیدروژن مایع در تعامل است، به پروتون وارد شد.
“ما برنامه را توسعه دادیم تا مطالعه پراکندگی کامپتون مجازی عمیق این جایی است که شما دارید یک تبادل الکترون آ فوتون مجازی با پروتون. آو در حالت نهایی، بر پروتون ثابت ماند، اما دور شد، و شما یک فوتون با انرژی بسیار بالا تولید شده به اضافه الکترون پراکنده دارید.” زمانی که داده‌ها را گرفتیم، فراتر از تصویر سه‌بعدی از آن آگاه نبودیم ما با این داده ها در نظر گرفتیم، ما بودیم هم جمع آوری داده های مورد نیاز برای دسترسی به مکانیک خواص پروتون“
به نظر می رسد که این فرآیند خاص – پراکندگی مجازی کامپتون عمیق (DVCS) – می تواند به نحوه تعامل گرانش با ماده مرتبط باشد. نسخه عمومی از این رابطه در کتاب درسی نسبیت عام انیشتین در سال 1973 بیان شده است با عنوان جاذبه توسط چارلز دبلیو میزنر، کیپ اس. تورن و جان آرچیبالد ویلر.
آنها در آن می نویسند: “هر میدان اسپین-2 بدون جرم منجر به نیرویی می شود که از گرانش قابل تشخیص نیست، زیرا یک میدان اسپین-2 بدون جرم مانند برهمکنش های گرانشی به تنش و تانسور انرژی متصل می شود.”
سه دهه بعد، ماکسیم پولیاکوف نظریه پرداز او را دنبال کرد با ایجاد مبنای نظری که فرآیند DVCS و برهم کنش گرانشی را به هم پیوند می‌دهد، بر این ایده می‌پردازد.
«این پیشرفت در تئوری رابطه بین اندازه گیری پراکندگی کامپتون مجازی عمیق و عامل شکل گرانشی را برقرار می کند. و ما توانستیم برای اولین بار از آن استفاده کنیم و تنشی را که انجام دادیم حذف کنیم مقاله طبیعت در 2018، و اکنون نیروی طبیعی و برش استحکام – قدرتبرکرت توضیح داد.
شرح مفصل تری از اتصالات بین فرآیند DVCS و برهمکنش گرانشی را می توان در اینجا یافت در این مقاله توصیف اولین نتیجه به دست آمده از این مطالعه.
محققان می گویند گام بعدی آنها کار بر روی استخراج اطلاعات لازم از داده های DVCS موجود است تا اولین تعیین اندازه مکانیکی پروتون را امکان پذیر کند. آنها همچنین امیدوارند که از آزمایش‌های جدیدتر، با آمار بالاتر و انرژی بالاتر که مطالعه DVCS در پروتون را ادامه می‌دهد، سود ببرند.
در همین حال، نویسندگان همکار این مطالعه از تعداد موارد جدید شگفت زده شده اند تلاش های نظری به تفصیل در صدها نشریه نظری، که شروع به استفاده از این مسیر تازه کشف شده برای مطالعه خواص مکانیکی پروتون کرده اند.
“و هم، حالا که ما در این جدید هستند عصر کشف با برنامه بلند مدت علوم هسته ای 2023 اخیرا منتشر شده است. تیاراده او خواهد بود آ ستون اصلی جهت گیری علم با امکانات جدید و آشکارساز جدید تحولات آنها بودند من مشتاقانه منتظرم تا کارهای بیشتری را ببینم که می توان انجام دادبرکرت گفت.
الوادریری موافق است.
“و من فکر می کنم این تازه شروع چیزی است که در آینده بسیار بزرگتر است. منتی قبلا دارد تغییر دادنه طرز فکر ما در مورد ساختار پروتون،” او گفت.
بورکرت افزود: اکنون می‌توانیم ساختار ذرات زیر هسته‌ای را بر حسب نیروها، فشارها و ابعاد فیزیکی که غیرفیزیکدانان می‌توانند با آن ارتباط برقرار کنند، بیان کنیم.
اطلاعات بیشتر
کوارک ها فشار موجود در پروتون را احساس می کنند
کمیته مشورتی علوم هسته ای از دوران جدید اکتشافات با راه اندازی طولانی مدت استقبال می کند
مخاطب: کندیس کارتر، دفتر ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، [email protected]
