Fysikere i Amerika har bekreftet en merkelig måling som først ble oppdaget av forskere som undersøkte den indre strukturen til protoner for to tiår siden.
Dette siste eksperimentet – utført ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility av et team av akademikere primært fra Temple University i Philadelphia – viser at standardmodellen for protonsammensetning ikke er helt riktig og indikerer at forskere fortsatt ikke fullt ut forstår protoner like godt. som antatt.
I dag er det forstått at protoner og andre subatomære partikler generelt sett består av kvarker, enda mindre partikler som bærer brøkladninger. Den forenklede standardmodellen hevder at protoner inneholder to positivt ladede kvarker og en negativt ladet kvark. Høres greit ut, ikke sant?
Men mer realistisk er protonet en rotete rot av utallige kvarker og antikvarker som samhandler med hverandre ved å utveksle gluoner – en separat type partikkel som representerer den sterke kraften som holder kvarker sammen og utgjør et proton.
Det er imidlertid ikke helt hele bildet heller. Det er noe rart som skjer i den subatomære partikkelen, og vi er et par tiår i gang med å finne ut hva det er.
På Jefferson-laboratoriet bombarderte teamet flytende hydrogen med elektroner for å studere den indre naturen til protonet i hvert hydrogenatom, ved å bruke virtuell Compton-spredning. Elektronene samhandler med hydrogenets protoner, noe som til slutt får protonets kvarker til å sende ut et foton. Detektorer måler hvordan elektronene og fotonene sprer seg, for å finne ut kvarkenes posisjon og momentum. Informasjonen gir forskerne en idé om protonets indre struktur, og en måte å måle protonets elektriske polariserbarhet.
“Vi ønsker å forstå understrukturen til protonet,” sa Ruonan Li, førsteforfatter på studien publisert i Nature og en doktorgradsstudent ved Temple University, i en uttalelse.
“Og vi kan forestille oss det som en modell med de tre balanserte kvarkene i midten. Sett nå protonet i det elektriske feltet. Kvarkene har positive eller negative ladninger. De vil bevege seg i motsatte retninger. Så den elektriske polariserbarheten reflekterer hvordan lett vil protonet bli forvrengt av det elektriske feltet.”
Forvrengningen viser hvor mye et proton kan strekke seg under et elektrisk felt. Under konvensjonelle teorier bør protoner bli stivere ettersom de forvrenges av elektriske felt ved høyere energier. En graf som plotter den elektriske polariserbarheten mot styrken til et elektrisk felt bør være jevn – men forskerne observerte en karakteristisk bump.
Den bumpen er den merkelige målingen Temple-teamet har bekreftet.
“Det vi faktisk ser er at den elektriske polariserbarheten avtar monotont i begynnelsen, men på et tidspunkt er det en lokal forbedring av denne egenskapen før den vil gå ned igjen,” Nikos Sparveris, medforfatter av avisen og en førsteamanuensis i fysikk ved Temple University, fortalt Registeret.
Det er foreløpig ikke klart hva som kan være årsaken til denne effekten
“Det er ikke klart på dette tidspunktet hva som kan være årsaken til denne effekten.”
Teamet mener at bumpen viser at en eller annen ukjent mekanisme kan påvirke den sterke kraften på en eller annen måte.
“Det første hintet for en slik anomali ble rapportert for 20 år siden (det var et eksperiment ved MAMI Microtron i Tyskland), men resultatene kom med ganske stor usikkerhet og ble ikke uavhengig bekreftet i mellomtiden. I dette arbeidet var vi i stand til å måle mer presist. I vårt nye eksperiment finner vi faktisk bevis for en struktur i den elektriske polariserbarheten, men vi observerer halvparten av størrelsen sammenlignet med det som opprinnelig ble rapportert,” la han til.
Den elektriske polariserbarheten gir forskere en måte å undersøke den indre strukturen til et proton og kraften som binder det sammen. “De rapporterte målingene antyder tilstedeværelsen av en ny, ennå ikke forstått dynamisk mekanisme i protonet og presenterer bemerkelsesverdige utfordringer for kjernefysisk teori,” ifølge teamets papir [Arxiv preprint].
Gruppen planlegger å utføre flere oppfølgingseksperimenter for å studere den unormale bumpen i nærmere detalj. “Vi må identifisere formen på en slik struktur så nøyaktig som mulig (det er et viktig input for teorien, i forsøket på å forklare årsaken til effekten), og vi må eliminere enhver mulighet for at denne effekten kan være en eksperimentell artefakt “, konkluderte Sparveris. ®