Σωματιδιακή Φυσική Σχετικότητα πλάσματος

Νέα έρευνα αποκαλύπτει πώς η βαρύτητα επηρεάζει το κβαντικό βασίλειο

Σωματιδιακή Φυσική Σχετικότητα πλάσματος

Οι πυρηνικοί φυσικοί ανακάλυψαν τη βαθιά επίδραση της βαρύτητας στην κβαντική κλίμακα, αποκαλύπτοντας την κατανομή της ισχυρής δύναμης μέσα στα πρωτόνια για πρώτη φορά. Αυτή η πρωτοποριακή έρευνα, που συνδυάζει ιστορικές θεωρητικές γνώσεις με σύγχρονα πειραματικά δεδομένα, προσφέρει άνευ προηγουμένου κατανόηση της εσωτερικής δυναμικής του πρωτονίου και θέτει το έδαφος για μελλοντικές ανακαλύψεις στην πυρηνική επιστήμη.

Οι πυρηνικοί φυσικοί στο Jefferson Lab έχουν χαρτογραφήσει την κατανομή της ισχυρής δύναμης μέσα στο πρωτόνιο, χρησιμοποιώντας ένα πλαίσιο που συνδέεται με τη βαρύτητα, ανοίγοντας ένα νέο μονοπάτι για εξερεύνηση.

Η επιρροή της βαρύτητας είναι αναμφισβήτητα εμφανής σε όλο το παρατηρήσιμο σύμπαν. Τα αποτελέσματά του παρατηρούνται στις συγχρονισμένες τροχιές των φεγγαριών γύρω από τους πλανήτες, σε κομήτες που αποκλίνουν από τα μονοπάτια τους λόγω της βαρυτικής έλξης μεγάλων αστεριών και στις μεγαλειώδεις σπείρες τεράστιων γαλαξιών. Αυτά τα θαυμάσια φαινόμενα υπογραμμίζουν τον ρόλο της βαρύτητας στις μεγαλύτερες κλίμακες της ύλης. Εν τω μεταξύ, οι πυρηνικοί φυσικοί αποκαλύπτουν τη σημαντική συμβολή της βαρύτητας στις πολύ μικρές κλίμακες της ύλης.

Νέα έρευνα που διεξήχθη από πυρηνικούς φυσικούς στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ χρησιμοποιεί μια μέθοδο που συνδέει τις θεωρίες της βαρύτητας με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικρότερων σωματιδίων της ύλης για να αποκαλύψει νέες λεπτομέρειες σε αυτή τη μικρότερη κλίμακα. Η έρευνα αποκάλυψε τώρα, για πρώτη φορά, ένα στιγμιότυπο της κατανομής της ισχυρής δύναμης μέσα στο πρωτόνιο. Αυτό το στιγμιότυπο περιγράφει λεπτομερώς τη διατμητική τάση που μπορεί να ασκήσει η δύναμη στα σωματίδια κουάρκ που αποτελούν το πρωτόνιο. Το αποτέλεσμα δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Κριτικές Σύγχρονης Φυσικής.

Πληροφορίες για τη Δομή Πρωτονίων

Σύμφωνα με τον επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, τον επιστήμονα του Jefferson Lab Principal Staff, Volker Burkert, η μέτρηση αποκαλύπτει μια εικόνα του περιβάλλοντος που βιώνουν τα δομικά στοιχεία του πρωτονίου. Τα πρωτόνια είναι κατασκευασμένα από τρία κουάρκ που συνδέονται μεταξύ τους από την ισχυρή δύναμη.

«Στην κορύφωσή της, αυτή είναι περισσότερο από μια δύναμη τεσσάρων τόνων που θα έπρεπε να ασκήσει κανείς σε ένα κουάρκ για να το τραβήξει έξω από το πρωτόνιο», εξήγησε ο Burkert. «Η φύση, φυσικά, δεν μας επιτρέπει να διαχωρίσουμε μόνο ένα κουάρκ από το πρωτόνιο λόγω της ιδιότητας των κουάρκ που ονομάζεται «χρώμα». Υπάρχουν τρία χρώματα που αναμειγνύουν κουάρκ στο πρωτόνιο για να το κάνουν να φαίνεται άχρωμο από έξω, προϋπόθεση για την ύπαρξή του στο διάστημα. Προσπαθώντας να τραβήξετε ένα έγχρωμο κουάρκ έξω από το πρωτόνιο θα δημιουργήσει ένα άχρωμο ζεύγος κουάρκ/αντι-κουάρκ, ένα μεσόνιο, χρησιμοποιώντας την ενέργεια που βάζετε για να προσπαθήσετε να διαχωρίσετε το κουάρκ, αφήνοντας πίσω ένα άχρωμο πρωτόνιο (ή νετρόνιο). Έτσι, οι 4 τόνοι είναι μια απεικόνιση της ισχύος της δύναμης που είναι εγγενής στο πρωτόνιο.»

Το αποτέλεσμα είναι μόνο η δεύτερη από τις μηχανικές ιδιότητες του πρωτονίου που πρέπει να μετρηθεί. Οι μηχανικές ιδιότητες του πρωτονίου περιλαμβάνουν την εσωτερική του πίεση (μετρημένη το 2018), την κατανομή μάζας του (φυσικό μέγεθος), τη γωνιακή του ορμή και τη διατμητική του τάση (που φαίνεται εδώ). Το αποτέλεσμα κατέστη δυνατό από μια πρόβλεψη μισού αιώνα και δεδομένα δύο δεκαετιών.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, διατυπώθηκε η θεωρία ότι εάν οι πυρηνικοί φυσικοί μπορούσαν να δουν πώς η βαρύτητα αλληλεπιδρά με υποατομικά σωματίδια, όπως το πρωτόνιο, τέτοια πειράματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν άμεσα τις μηχανικές ιδιότητες του πρωτονίου.

«Αλλά εκείνη τη στιγμή δεν υπήρχε τρόπος. Αν συγκρίνετε τη βαρύτητα με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, για παράδειγμα, υπάρχουν 39 τάξεις μεγέθους διαφοράς – Άρα είναι εντελώς απελπιστικό, σωστά;» εξήγησε η Latifa Elouadhriri, επιστήμονας του Jefferson Lab και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Θεωρητικές βάσεις και Πειραματικές ανακαλύψεις

Τα δεδομένα δεκαετιών προήλθαν από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με το Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) του Jefferson Lab, μια εγκατάσταση χρηστών του DOE Office of Science. Ένα τυπικό πείραμα CEBAF θα συνεπαγόταν ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο που αλληλεπιδρά με ένα άλλο σωματίδιο ανταλλάσσοντας ένα πακέτο ενέργειας και μια μονάδα γωνιακής ορμής που ονομάζεται εικονική φωτόνιο με το σωματίδιο. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου υπαγορεύει με ποια σωματίδια αλληλεπιδρά με αυτόν τον τρόπο και πώς ανταποκρίνονται.

Στο πείραμα, μια δύναμη πολύ μεγαλύτερη από τους τέσσερις τόνους που απαιτούνται για την εξαγωγή ενός ζεύγους κουάρκ/αντικουάρκ εφαρμόστηκε στο πρωτόνιο από την εξαιρετικά ενεργητική δέσμη ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρά με το πρωτόνιο σε έναν στόχο υγροποιημένου αερίου υδρογόνου.

«Αναπτύξαμε το πρόγραμμα για τη μελέτη της βαθιάς εικονικής σκέδασης Compton. Εδώ έχουμε ένα ηλεκτρόνιο που ανταλλάσσει ένα εικονικό φωτόνιο με το πρωτόνιο. Και στην τελική κατάσταση, το πρωτόνιο παρέμεινε το ίδιο, αλλά οπισθοχώρησε, και έχετε ένα πραγματικό πολύ ενεργειακό φωτόνιο που παράγεται, συν το διασκορπισμένο ηλεκτρόνιο», είπε ο Elouadhriri. «Τη στιγμή που πήραμε τα δεδομένα, δεν γνωρίζαμε ότι πέρα ​​από την τρισδιάστατη απεικόνιση που είχαμε σκοπό με αυτά τα δεδομένα, συλλέγαμε επίσης τα δεδομένα που απαιτούνται για την πρόσβαση στις μηχανικές ιδιότητες του πρωτονίου».

Αποδεικνύεται ότι αυτή η συγκεκριμένη διαδικασία – βαθιά εικονική σκέδαση Compton (DVCS) – θα μπορούσε να συνδεθεί με το πώς η βαρύτητα αλληλεπιδρά με την ύλη. Η γενική εκδοχή αυτής της σύνδεσης δηλώθηκε στο εγχειρίδιο του 1973 για τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν με τίτλο «Gravitation» από τους Charles W. Misner, Kip S. Thorne και John Archibald Wheeler.

Σε αυτό, έγραψαν, «Οποιοδήποτε πεδίο spin-2 χωρίς μάζα θα προκαλούσε μια δύναμη που δεν διακρίνεται από τη βαρύτητα, επειδή ένα πεδίο spin-2 χωρίς μάζα θα συζευγνύεται με τον τανυστή τάσης-ενέργειας με τον ίδιο τρόπο που κάνουν οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις .»

Τρεις δεκαετίες αργότερα, ο θεωρητικός Maxim Polyakov ακολούθησε αυτή την ιδέα καθιερώνοντας τη θεωρητική βάση που συνδέει τη διαδικασία DVCS και τη βαρυτική αλληλεπίδραση.

«Αυτή η ανακάλυψη στη θεωρία καθιέρωσε τη σχέση μεταξύ της μέτρησης της βαθιάς εικονικής σκέδασης Compton με τον παράγοντα βαρυτικής μορφής. Και μπορέσαμε να το χρησιμοποιήσουμε αυτό για πρώτη φορά και να εξαγάγουμε την πίεση που κάναμε στο Φύση χαρτί το 2018, και τώρα η κανονική δύναμη και η δύναμη διάτμησης», εξήγησε ο Burkert.

Μια πιο λεπτομερής περιγραφή των συνδέσεων μεταξύ της διαδικασίας DVCS και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης μπορεί να βρεθεί σε αυτό το άρθρο περιγράφοντας το πρώτο αποτέλεσμα που προέκυψε από αυτή την έρευνα.

Μελλοντικές Κατευθύνσεις και Θεωρητικές Προόδους

Οι ερευνητές λένε ότι το επόμενο βήμα τους είναι να εργαστούν για την εξαγωγή των πληροφοριών που χρειάζονται από τα υπάρχοντα δεδομένα DVCS για να καταστεί δυνατός ο πρώτος προσδιορισμός του μηχανικού μεγέθους του πρωτονίου. Ελπίζουν επίσης να επωφεληθούν από νεότερα πειράματα υψηλότερης στατιστικής και υψηλότερης ενέργειας που συνεχίζουν την έρευνα DVCS στο πρωτόνιο.

Εν τω μεταξύ, οι συν-συγγραφείς της μελέτης έχουν μείνει έκπληκτοι με την πληθώρα νέων θεωρητικών προσπαθειών, που περιγράφονται λεπτομερώς σε εκατοντάδες θεωρητικές δημοσιεύσεις, που έχουν αρχίσει να εκμεταλλεύονται αυτή τη νέα οδό για τη διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων του πρωτονίου.

«Και επίσης, τώρα που βρισκόμαστε σε αυτή τη νέα εποχή ανακάλυψης με το Σχέδιο Πυρηνικής Επιστήμης μακράς εμβέλειας 2023 κυκλοφόρησε πρόσφατα. Αυτό θα είναι ένας σημαντικός πυλώνας της κατεύθυνσης της επιστήμης με νέες εγκαταστάσεις και νέες εξελίξεις ανιχνευτών. Ανυπομονούμε να δούμε περισσότερα από αυτά που μπορούν να γίνουν», είπε ο Burkert.

Ο Elouadhriri συμφωνεί.

«Και κατά την άποψή μου, αυτή είναι μόνο η αρχή για κάτι πολύ μεγαλύτερο που θα ακολουθήσει. Έχει ήδη αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε τη δομή του πρωτονίου», είπε.

«Τώρα, μπορούμε να εκφράσουμε τη δομή των υποπυρηνικών σωματιδίων με όρους δυνάμεων, πίεσης και φυσικών μεγεθών με τα οποία μπορούν να συσχετιστούν και οι μη φυσικοί», πρόσθεσε ο Burkert.

Αναφορά: “Συνέδριο: Βαρυτικοί παράγοντες μορφής του πρωτονίου» των VD Burkert, L. Elouadrhiri, FX Girod, C. Lorcé, P. Schweitzer και PE Shanahan, 22 Δεκεμβρίου 2023, Κριτικές Σύγχρονης Φυσικής.
DOI: 10.1103/RevModPhys.95.041002

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Ερευνητικό Ταμείο Carl G. και Shirley Sontheimer.

Η μετάφραση έγινε με τη βοήθεια του Google Translate
ΠΗΓΗ: scitechdaily.com

Απάντηση