В некотором смысле протон ведет себя очень похоже на звезду.
Какова среда внутри протона? Даже самые умные люди вряд ли рассматривали такую перспективу. Группа физиков недавно измерила давление, которое там можно найти, и результаты поразительны.
«Центр частицы выдерживает давление, в миллиард-миллиард-миллиард раз превышающее давление на дне Марианской впадины», - сообщает New Scientist. Это открытие сделали исследователи из Национального ускорительного комплекса имени Томаса Джефферсона в Вирджинии. Физик Фолькер Буркерт был соавтором. Он сказал Science News: «Это действительно самое высокое давление, которое мы когда-либо видели. Выводы, сделанные им и его коллегами, были опубликованы в журнале Nature.
Возможно, вы помните, что протон заряжен положительно и является одной из фундаментальных частиц в квантовом мире. Их можно найти в ядрах атомов, и они сами состоят из более мелких частиц, включая кварки и глюоны. Кварки электрически заряжены и очень социальны. Тем не менее, они никогда не блуждают сами по себе, поскольку глюоны прикладывают силу, которая удерживает их вместе. Протоны, будучи одной из самых стабильных частиц, помогают поддерживать стабильность Вселенной и достаточно гостеприимное место для ее содержимого, включая нас.
Один из самых больших вопросов в квантовой механике: что делает протон таким стабильным? Оказывается, это баланс между двумя интенсивными силами. Давление внутри протона, обращенное наружу, составляет примерно 10 ^ 35 паскалей (Па), что в 10 раз больше, чем сила внутри нейтронной звезды. Нейтронная звезда - небесный объект размером с город с массой 1.в 4 раза больше нашего солнца. Когда-то они были массивными звездами, которые превратились в сверхновые, а затем превратились в маленькое плотное ядро. Это самый плотный объект во Вселенной, а внутренняя сила протона еще сильнее! Ранее ученые предполагали, что протон может содержать сильное давление. Тем не менее, это впервые доказано.
Впечатление художника о превращении нейтронной звезды в сверхновую. Изображение предоставлено: NASA/ESA/JHU/R. Sankrit & W. Blair, Wikipedia Commons.
Так как же они измерили давление внутри чего-то такого маленького? Все началось с того, что Беркет и его коллеги работали в CLAS: большом приемном спектрометре ускорителя непрерывного электронного пучка в лаборатории Джефферсона. Это испускает энергетический луч (6 миллиардов электрон-вольт), который действует как световая частица - фотон. Они направили луч в жидкий азот, который битком набит протонами. Затем они исследовали происходящее на субатомном уровне. Когда физики прицелились и направили электронный луч прямо в протон, луч, действуя как фотон, отразился от кварка, где он поглотился. В результате кварк испустил следующий фотон.
Исследователи измерили исходный электрон, фотон, который он поглотил, и фотон, который он испустил. Оценив столкновение и импульс каждой частицы, они смогли понять, где все находится внутри протона. Оттуда они могли составить трехмерную карту кварков, содержащихся в его ядре. Но это не говорит нам, какие силы там присутствовали. Для этого физикам нужно найти гравитон - частицу, которая придает вещам гравитацию. Тем не менее, ни один из них не был обнаружен.
Из-за отсутствия гравитона исследователи изучили два фотона, присутствующих в эксперименте. Согласно Бёркету, эти фотоны, один первоначально поглощенный, а другой испущенный после столкновения, равны одному гравитону. Можно было бы подумать, что можно просто измерить силу глюонов. Но даже CLAS не может этого сделать. Потребовалось бы гораздо больше энергии. Таким образом, протон в настоящее время не может быть полностью изучен. Это был эксперимент 2015 года, но новые методы оценки позволили физикам более всесторонне просмотреть данные и получить приблизительную оценку внутреннего давления протона.
Кажется, мы забываем, что эти силы тоже все время действуют внутри нас. Изображение предоставлено: Finches & quarks, Wikipedia Commons.
Физики также обнаружили силу снаружи протона, скорее всего вызванную глюонами, противодействующую той, которая выталкивается наружу изнутри, позволяя частице оставаться стабильной. Если внутренняя сила ослабнет, протон взорвется. Ученые говорят, что электронно-ионный коллайдер, тип ускорителя частиц, находится в разработке. Это должно помочь нам лучше понять, как глюоны удерживают протон вместе.