En ny presisjonsmåling av protonets elektriske polariserbarhet har bekreftet tilstedeværelsen av en anomali, og reiser spørsmål om opprinnelsen.
Presisjonsmåling av hvordan et protons struktur deformeres i et elektrisk felt har avslørt nye detaljer om en uforklarlig topp i protondata.
Kjernefysikere har bekreftet at den nåværende beskrivelsen av protonstruktur ikke er perfekt. En støt i dataene i sonder av protonets struktur er avslørt av en ny presisjonsmåling av protonets elektriske polariserbarhet utført ved det amerikanske energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Da dette ble sett i tidligere målinger, ble det allment antatt å være et lykketreff. Imidlertid har denne nye, mer presise målingen bekreftet tilstedeværelsen av anomalien og reiser viktige spørsmål om opprinnelsen. Forskningen ble publisert 19. oktober i tidsskriftet Natur.
“Det er noe vi tydelig mangler på dette tidspunktet. Protonet er den eneste sammensatte byggesteinen i naturen som er stabil. Så hvis vi mangler noe grunnleggende der, har det implikasjoner eller konsekvenser for all fysikk.» — Nikos Sparver
Målinger av protonets elektriske polariserbarhet avslører hvor mottakelig protonet er for deformasjon, eller strekking, i et elektrisk felt, ifølge Ruonan Li, førsteforfatter på det nye papiret og en doktorgradsstudent ved Temple University. I likhet med størrelse eller ladning er den elektriske polariserbarheten en grunnleggende egenskap ved protonstruktur.
Dessuten kan en presisjonsbestemmelse av protonets elektriske polariserbarhet bidra til å bygge bro mellom de forskjellige beskrivelsene av protonet. Avhengig av hvordan det er sondert, kan et proton fremstå som en ugjennomsiktig enkeltpartikkel eller som en sammensatt partikkel laget av tre kvarker holdt sammen av den sterke kraften.
“Vi ønsker å forstå understrukturen til protonet. Og vi kan forestille oss det som en modell med de tre balanserte kvarkene i midten,” forklarte Li. “Nå, plasser protonet i det elektriske feltet. Kvarkene har positive eller negative ladninger. De vil bevege seg i motsatte retninger. Så den elektriske polariserbarheten reflekterer hvor lett protonet vil bli forvrengt av det elektriske feltet.”
Det virkelige fotonet som produseres i den virtuelle Compton-spredningsreaksjonen gir den elektromagnetiske forstyrrelsen til protonet og gjør det mulig å måle dets elektromagnetiske generaliserte polariserbarhet. Kreditt: Bilde med tillatelse av Nikos Sparveris, Temple University
Kjernefysikere brukte en prosess kalt virtuell Compton-spredning for å undersøke denne forvrengningen. Denne prosessen starter med en nøye kontrollert stråle av energiske elektroner fra Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, et DOE Office of Science-brukeranlegg. Elektronene sendes til å krasje inn i protoner.
Ved virtuell Compton-spredning samhandler elektroner med andre partikler ved å sende ut et energisk foton, eller lyspartikkel. Energien til elektronet bestemmer energien til fotonet det sender ut, som også bestemmer hvordan fotonet samhandler med andre partikler.
Den sterke kjernekraften (også kalt den sterke kraften) er en av de fire grunnleggende kreftene i naturen (de andre er tyngdekraften, den elektromagnetiske kraften og den svake kjernekraften). Den er den sterkeste av de fire, som navnet antyder. Imidlertid har den også den korteste rekkevidden, noe som betyr at partikler må være ekstremt nærme før effektene merkes. Dens primære funksjon er å holde sammen de subatomære partiklene i kjernen (protoner, som har en positiv ladning, og nøytroner, som ikke har noen ladning. Disse partiklene kalles samlet nukleoner).
Fotoner med lavere energi kan sprette fra overflaten til protonet, mens mer energiske fotoner vil sprenge inne i protonet for å samhandle med en av kvarkene. Teori forutsier at når disse foton-kvark-interaksjonene plottes fra lavere til høyere energier, vil de danne en jevn kurve.
Nikos Sparveris, en førsteamanuensis i fysikk ved Temple University og talsperson for eksperimentet, sa at dette enkle bildet ikke holdt til gransking. Målingene avslørte i stedet en hittil uforklarlig støt.
“Det vi ser er at det er en lokal forbedring av størrelsen på polariserbarheten. Polariserbarheten avtar når energien øker som forventet. Og på et tidspunkt ser det ut til at det kommer midlertidig opp igjen før det går ned, sa han. “Basert på vår nåværende teoretiske forståelse, bør det følge en veldig enkel oppførsel. Vi ser noe som avviker fra denne enkle oppførselen. Og dette er det faktum som forvirrer oss for øyeblikket.»
Teorien forutsier at de mer energiske elektronene mer direkte sonderer den sterke kraften ettersom den binder kvarkene sammen for å lage protonet. Denne rare toppen i stivheten som kjernefysikere nå har bekreftet i protonets kvarker, signaliserer at en ukjent fasett av den sterke kraften kan være i arbeid.
“Det er noe vi tydelig mangler på dette tidspunktet. Protonet er den eneste sammensatte byggesteinen i naturen som er stabil. Så hvis vi mangler noe grunnleggende der, har det implikasjoner eller konsekvenser for all fysikk,» bekreftet Sparveris.
Fysikerne sa at neste trinn er å pirre ut detaljene om denne anomalien ytterligere og utføre presisjonssonder for å se etter andre avvikspunkter og gi mer informasjon om kilden til anomalien.
“Vi ønsker å måle flere punkter ved forskjellige energier for å presentere et klarere bilde og se om det er noen ytterligere struktur der,” sa Li.
Sparveris var enig.
“Vi må også måle nøyaktig formen på denne forbedringen. Formen er viktig for å belyse teorien ytterligere, sa han.
Referanse: “Målt proton elektromagnetisk struktur avviker fra teoretiske spådommer” av R. Li, N. Sparveris, H. Atac, MK Jones, M. Paolone, Z. Akbar, C. Ayerbe Gayoso, V. Berdnikov, D. Biswas, M.S. .Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. Diefenthaler, B. Duran, D. Dutta, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, N. Heinrich, W. Henry, T. Horn, GM Huber, S. Jia, S. Joosten, A. Karki, SJD Kay, V Kumar, X Li, WB Li, AH Liyanage, S Malace, P Markowitz, M McCaughan, Z.-E. Meziani, H. Mkrtchyan, C. Morean, M. Muhoza, A. Narayan, B. Pasquini, M. Rehfuss, B. Sawatzky, GR Smith, A. Smith, R. Trotta, C. Yero, X. Zheng og J. .Zhou, 19. oktober 2022, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1