Nuklearni fizičari su možda konačno utvrdili gde se u protonu nalazi veliki deo njegove mase. Nedavni eksperiment sproveden u Nacionalnom akceleratorskom postrojenju Tomasa Džefersona američkog Ministarstva energetike otkrio je radijus mase protona koju generiše snažna sila dok spaja kvarkove građevnog bloka protona. Rezultat je nedavno objavljen u časopisu Nature.
Jedna od najvećih misterija protona je poreklo njegove mase. Ispostavilo se da izmerena masa protona ne dolazi samo od njegovih fizičkih građevnih blokova, njegova tri takozvana valentna kvarka.
„Ako saberete mase kvarkova u protonu po Standardnom modelu, dobićete samo mali deo mase protona“, objasnio je ko-portparol eksperimenta Silvester Džosten, eksperimentalni fizičar u Nacionalnoj laboratoriji Argon u DOE.
Tokom poslednjih nekoliko decenija, nuklearni fizičari su probno sastavili da masa protona dolazi iz nekoliko izvora. Prvo, on dobija nešto mase od masa svojih kvarkova, a nešto više od njihovog kretanja. Zatim, dobija masu od snažne energije sile koja spaja te kvarkove zajedno, pri čemu se ova sila manifestuje kao „gluoni“. Na kraju, dobija masu iz dinamičkih interakcija protonskih kvarkova i gluona.
Ovo novo merenje je možda konačno bacilo malo svetla na masu koju generišu protonski gluoni tako što je tačno odredio lokaciju materije koju generišu ovi gluoni. Utvrđeno je da se radijus ovog jezgra materije nalazi u centru protona. Čini se da rezultat takođe ukazuje da ovo jezgro ima drugačiju veličinu od dobro izmerenog radijusa naelektrisanja protona, količine koja se često koristi kao proksi za veličinu protona.
„Poluprečnik ove masene strukture je manji od radijusa naelektrisanja, i tako nam daje osećaj hijerarhije mase u odnosu na strukturu naelektrisanja nukleona“, rekao je ko-glasnogovornik eksperimenta Mark Jones, Jefferson Lab’s Halls A&C vođa.
Prema ko-portparolu eksperimenta Zein-Eddine Meziani, naučniku osoblja u DOE-ovoj nacionalnoj laboratoriji Argonne, ovaj rezultat je zapravo donekle bio iznenađenje.
„Ono što smo otkrili je nešto što zaista nismo očekivali da će izaći na ovaj način. Prvobitni cilj ovog eksperimenta bila je potraga za pentakvarkom koji su prijavili istraživači iz CERN-a“, rekao je Mezijani
Eksperiment je izveden u eksperimentalnoj sali C u objektu za akceleratore kontinuiranog elektronskog snopa Jefferson Lab-a, korisničkom objektu DOE Office of Science. U eksperimentu su energetski elektroni od 10,6 GeV (milijarde elektron-volti) iz CEBAF akceleratora poslani u mali blok bakra. Blok je usporio ili skrenuo elektrone, što je dovelo do toga da emituju zračenje kočnog zračenja kao fotoni. Ovaj snop fotona je zatim udario u protone unutar mete tečnog vodonika. Detektori su merili ostatke ovih interakcija kao elektrone i pozitrone.
Eksperimentatori su bili zainteresovani za one interakcije koje su proizvele J/Ψ čestice među jezgrama protona vodonika. J/Ψ je kratkotrajni mezon koji je napravljen od šarm/anti-šarm kvarkova. Jednom formiran, brzo se raspada u par elektron/pozitron.
Od milijardi interakcija, eksperimentatori su pronašli oko 2.000 J/Ψ čestica u svojim merenjima poprečnog preseka ovih interakcija potvrđujući podudarne parove elektron/pozitron.
„To je slično onome što smo radili sve vreme. Radeći elastično rasejanje elektrona na protonu, dobijamo distribuciju naelektrisanja protona“, rekao je Džons. „U ovom slučaju, uradili smo ekskluzivnu foto-produkciju J/Ψ iz protona, i dobijamo distribuciju gluona umesto distribucije naelektrisanja.“
Saradnici su tada mogli da ubace ova merenja poprečnog preseka u teorijske modele koji opisuju faktore oblika gluonske gravitacije protona. Gluonski faktori oblika detaljno opisuju mehaničke karakteristike protona, kao što su njegova masa i pritisak.
„Postojale su dve veličine, poznate kao faktori gravitacije, koje smo mogli da izvučemo, jer smo imali pristup ova dva modela: model generalizovane partonske distribucije i model holografske kvantne hromodinamike (KCD). I uporedili smo rezultate iz svaki od ovih modela sa proračunima KCD rešetke“, dodao je Meziani.
Iz dve različite kombinacije ovih veličina, eksperimentatori su odredili gore pomenuti radijus gluonske mase kojim dominiraju gluoni slični gravitonu, kao i veći radijus atraktivnih skalarnih gluona koji se protežu izvan pokretnih kvarkova i ograničavaju ih.
„Jedan od zbunjujućih nalaza iz našeg eksperimenta je da u jednom od pristupa teorijskom modelu, naši podaci nagoveštavaju skalarnu distribuciju gluona koja se proteže daleko izvan radijusa elektromagnetnog protona“, rekao je Joosten. „Da bismo u potpunosti razumeli ova nova zapažanja i njihove implikacije na naše razumevanje zatvorenosti, biće nam potrebna nova generacija visoko preciznih eksperimenata J/Ψ.“
Jedna od mogućnosti za dalje istraživanje ovog uzbudljivog novog rezultata je eksperimentalni program Solenoidnog uređaja velikog intenziteta, nazvan SoLID. Program SoLID je još uvek u fazi predloga. Ako bude odobreno da se krene napred, eksperimenti sprovedeni sa SoLID aparatom bi pružili novi uvid u J/Ψ fiziku.
„Veliki sledeći korak je merenje J/Ψ proizvodnje pomoću detektora SoLID. On će zaista moći da vrši visoko precizna merenja u ovom regionu. Jedan od glavnih stubova tog programa je proizvodnja J/Ψ, zajedno sa poprečnim impulsom. merenja distribucije i merenja duboko neelastičnog rasejanja koja narušavaju paritet“, rekao je Džons.
Jones, Joosten i Meziani predstavljaju eksperimentalnu saradnju koja uključuje više od 50 nuklearnih fizičara iz 10 institucija. Portparoli takođe žele da istaknu Burcua Durana, glavnog autora i postdoktorskog istraživačkog saradnika na Univerzitetu Tenesi, Knokville. Duran je ovaj eksperiment prikazala u svom doktoratu. diplomski rad na Univerzitetu Templ, a ona je bila pokretačka snaga u analizi podataka.
Saradnja je sprovela eksperiment tokom oko 30 dana u periodu od februara do marta 2019. Oni se slažu da je ovaj novi rezultat intrigantan, i kažu da se svi raduju budućim rezultatima koji će baciti dodatno svetlo na uvid u novu fiziku koju on podrazumeva .
„Suština za mene—trenutno je uzbuđenje. Možemo li pronaći način da potvrdimo ono što vidimo? Hoće li se ove nove informacije o slici zadržati?“ rekao je Mezijani. „Ali za mene je ovo zaista veoma uzbudljivo. Jer ako sada pomislim na proton, sada imamo više informacija o njemu nego što smo ikada ranije imali.“
