Interiorul unui proton suportă mai multă presiune decât orice altceva am văzut

Păcat de protoni: acele particule mici sunt supuse multă presiune. Interiorul protonilor este stors mai tare decât orice altă substanță pe care am măsurat-o, arată un nou studiu.

„Este într-adevăr cea mai mare presiune pe care am văzut-o vreodată”, spune fizicianul Volker Burkert, coautor al studiului, publicat în 17 mai. Natură. Protonii bat recordul de presiune stabilit de stelele neutronice, stelele moarte incredibil de dense care se pot forma atunci când o stea masivă explodează și miezul ei se prăbușește, stoarce mai multă masă decât cea a soarelui într-o rămășiță de dimensiunea unui oraș.

Presiunea din centrul protonului este în medie de un milion de trilioane de trilioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică a Pământului, raportează Burkert și colegii săi, de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility din Newport News, Virginia. Aceasta este de aproximativ 10 ori presiunea găsită în interiorul unei stele neutronice. Anterior, oamenii de știință au prezis teoretic că astfel de presiuni ar putea apărea în interiorul protonilor, dar noul rezultat este primul manometru experimental pentru protoni.

În cercetarea protonilor, distribuția presiunii interne a particulei a fost o frontieră în mare măsură neexplorată, chiar dacă presiunea este una dintre proprietățile fundamentale ale protonului. „Este la fel de important ca sarcina electrică sau masa”, spune fizicianul Peter Schweitzer de la Universitatea din Connecticut din Storrs, dar era necunoscut până acum.

Protonii sunt formați din particule mai mici, inclusiv quarci, care sunt încărcați electric și gluoni, care transmit forța nucleară puternică care ține protonii împreună (SN: 29.04.17, str. 22). În centrul acestei mingi de particule, raportează Burkert și colegii, o presiune intensă împinge spre exterior. Dar această forță exterioară de record este ținută sub control de o presiune interioară din regiunile exterioare ale particulei.

Acest model de presiune este paralel cu ceea ce se întâmplă în obiecte mult mai mari: „Într-un fel, arată ca o stea”, spune fizicianul Oleg Teryaev de la Institutul Comun de Cercetare Nucleară din Dubna, Rusia. Stelele au, de asemenea, presiuni care împing spre exterior în centrele lor, care contracarează forța gravitației spre interior.

Protonii sunt ținuți împreună de forța puternică, la fel cum stelele sunt ținute împreună de gravitație. Dar protonii mici sunt o fiară diferită. Deci „este firesc, dar nu este complet banal” ca cele două obiecte să aibă asemănări din punct de vedere al presiunii, spune Teryaev.

detector CLAS
Strângerea strânsă Pentru a determina presiunea din interiorul unui proton, oamenii de știință au folosit date de la detectorul CLAS (prezentat), în care electronii sunt împrăștiați de protoni. Jefferson Lab/Flickr ( CC By-NC 2.0)

Pentru a cuantifica strângerea protonului, cercetătorii au folosit date de la un detector de particule cunoscut sub numele de CLAS, prescurtare pentru spectrometrul de acceptare mare a instalației de accelerare a fasciculului de electroni continuu, situat la Jefferson Lab. În experimentele cu CLAS, oamenii de știință au împușcat electroni în hidrogen lichid, o sursă abundentă de protoni, și au urmărit ce s-a întâmplat în timp ce electronii au interacționat cu constituenții protonilor și au ricoșat. Noua măsurătoare se bazează pe date din 2015 care au fost analizate pentru prima dată folosind o tehnică care ar putea determina presiunea protonului.

Experimentul, totuși, a studiat quarcii în protoni, dar nu și gluoni, deoarece energia electronilor – 6 miliarde de electroni volți – nu a fost suficientă pentru ca electronii să sonda pe deplin protonii. Pentru a-și estima presiunea, cercetătorii au presupus că contribuția la presiunea gluonilor a fost aceeași cu cea a quarcilor, ceea ce este în conformitate cu unele predicții teoretice.

Viitorii acceleratori de particule, cum ar fi colisionarul electron-ion planificat, ar permite măsurarea contribuției gluonilor pentru a oferi o estimare mai bună a presiunii de zdrobire pe care o suportă protonii.