doprovodná pole. Obrázek: Brookhavenská národní laboratoř.
Pokud byste rozdělili částice tvořící vaše tělo na menší a menší kousky, zjistili byste, že na každém kroku na této cestě – alespoň co se týče hmotnosti – se celek rovná součtu svých částí. Kdybyste své tělo rozdělili na jednotlivé kosti, tuk a orgány, daly by dohromady celou lidskou bytost. Kdybyste je rozložili dále, na buňky, opět by buňky dávaly dohromady stejnou hmotnost jako vy. Buňky lze rozdělit na organely, organely rozložit na jednotlivé molekuly, molekuly na atomy a atomy na protony, neutrony a elektrony. Na této úrovni je nepatrný, ale znatelný rozdíl: jednotlivé protony, neutrony a elektrony se díky jaderné vazebné energii liší od člověka přesně o 1 %.
přibližně o 0,8 % méně než jednotlivé protony a neutrony, které ho tvoří, díky jaderné vazebné energii. Obrázek: Delia Walshová z http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Atom uhlíku složený ze šesti protonů a šesti neutronů je přibližně o 0,8 % lehčí než jednotlivé složkové částice, které ho tvoří. Uhlík vzniká jadernou fúzí vodíku na helium a následně helia na uhlík; uvolněná energie pohání většinu typů hvězd v normální fázi i ve fázi červeného obra a „ztracená hmota“ je místem, odkud tato energie pochází díky Einsteinovu E = mc2. Takto funguje většina typů vazebných energií: důvod, proč je těžší od sebe odtrhnout více věcí, které jsou spojeny, je ten, že při spojení uvolnily energii, a abyste je opět uvolnili, musíte do nich vložit energii.
Proto je tak záhadné, že když se podíváte na částice, které tvoří proton – tři různé kvarky, které jsou jejich jádrem – jejich kombinovaná hmotnost je pouze 0,2 % hmotnosti protonu jako celku.
(v MeV) vpravo nahoře. Proton složený ze dvou up kvarků a jednoho down kvarku má hmotnost ~938 MeV/c^2. Obrázek: Wikimedia Commons, uživatel MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, pod licencí c.c.a.-3.0 unported.
Způsob, jakým se kvarky vážou do protonů, se zásadně liší od všech ostatních sil a interakcí, které známe. Místo toho, aby síla sílila, když se objekty přibližují – podobně jako gravitační, elektrické nebo magnetické síly – přitažlivá síla klesá k nule, když se kvarky libovolně přiblíží. A místo toho, aby síla slábla, když se objekty vzdalují, síla přitahující kvarky k sobě je tím silnější, čím jsou vzdálenější.
Tato vlastnost silné jaderné síly je známá jako asymptotická volnost a částice, které tuto sílu zprostředkovávají, se nazývají gluony. Energie, která váže proton dohromady, tedy zbývajících 99,8 % hmotnosti protonu, nějakým způsobem pochází z těchto gluonů.
Propojen (pružinovými) gluony, struktura protonu je mnohem komplikovanější, s dalšími (mořskými) kvarky a gluony obývajícími vnitřek protonu. Obrázek: Německý elektronový synchrotron (DES) a kolaborace HERA a ZEUS.
Vzhledem k tomu, jak funguje silná jaderná síla, existují velké nejistoty ohledně toho, kde se tyto gluony v daném okamžiku skutečně nacházejí. V současné době máme solidní model průměrné hustoty gluonů uvnitř protonu, ale pokud chceme vědět, kde se gluony skutečně s větší pravděpodobností nacházejí, vyžaduje to více experimentálních dat a také lepší modely, se kterými bychom tato data mohli porovnat. Nedávné pokroky teoretiků Björna Schenkeho a Heikkiho Mäntysaariho by mohly tyto tolik potřebné modely poskytnout. Jak upřesnil Mäntysaari:
Je velmi přesně známo, jak velká je průměrná hustota gluonů uvnitř protonu. Není však známo, kde přesně se gluony uvnitř protonu nacházejí. Modelujeme gluony jako umístěné kolem tří kvarků. Velikost fluktuací zastoupených v modelu pak řídíme tím, že nastavíme, jak velká jsou oblaka gluonů a jak daleko jsou od sebe vzdálena.
gluony a zobrazený spin kvarku. Obrázek: Brookhavenská národní laboratoř.
Když se srazí dvě částice, například protony, proton a těžký iont nebo dva těžké ionty dohromady, nelze je jednoduše modelovat jako srážky proton-proton. Místo toho vidíte rozložení tří typů srážek: srážky kvark-kvark, srážky kvark-gluon nebo srážky gluon-gluon. Jsou to komponenty uvnitř těchto subatomárních částic, které se skutečně srážejí, a ne celé struktury (protony) samotné. Zatímco při nižších energiích se téměř vždy srážejí kvarky, při vyšších energiích, kterých dosahuje RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider, v Brookhavenu a LHC v CERN, je velmi vysoká pravděpodobnost interakce gluon-gluon, která má potenciál odhalit umístění gluonů uvnitř samotného protonu. Jak pokračoval Mäntysaari:
Tento proces vůbec neprobíhá, pokud proton vypadá stále stejně. Čím více fluktuací máme, tím je pravděpodobnější, že k tomuto procesu dojde.
protonu, včetně toho, jak jsou rozmístěny „moře“ kvarků a gluonů, bylo dosaženo jak experimentálním vylepšením, tak novým teoretickým vývojem v tandemu. Obrázek: Brookhavenská národní laboratoř.
Kombinace tohoto nového teoretického modelu a stále se zlepšujících dat z urychlovače LHC umožní vědcům lépe pochopit vnitřní, základní strukturu protonů, neutronů a jader obecně, a tedy i to, odkud pochází hmotnost známých objektů ve vesmíru. Největším přínosem pro tento typ výzkumu by však byl vývoj urychlovače elektronů a iontů (Electron-Ion Collider, EIC), který navrhuje mnoho kolaborací po celém světě. Na rozdíl od urychlovače RHIC nebo LHC, které srážejí protony s ionty – výsledkem je velmi chaotický konečný signál – by byl urychlovač EIC mnohem kontrolovanější, protože uvnitř elektronu nejsou žádné vnitřní, nekontrolovatelné pohyby, které by mohly zmást výsledky experimentu.
srážeč (EIC). Přidáním elektronového prstence (červeně) k relativistickému srážeči těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenu by vznikl eRHIC. Obrázek: Brookhaven National Laboratory-CAD group eRHIC.
Pokud chcete studovat vnitřní strukturu protonu nebo souboru jader, jedinou možností je hluboký nepružný rozptyl. Vzhledem k tomu, že srážeče tuto cestu zahájily před necelým stoletím a že nyní dosahujeme energií přibližně 10 000krát vyšších, než když jsme začínali, může být zkoumání a pochopení toho, jak přesně hmota získává svou hmotnost, konečně na dosah. Kvark-gluonové plazma uvnitř jádra a s ním spojené fluktuace jsou možná konečně připraveny odhalit nám svá tajemství. A až se tak stane, jedna z nejdéle trvajících záhad fyziky, odkud se bere hmotnost známé hmoty (která je stále záhadou i po objevu Higgsova bosonu), možná konečně lidstvu ustoupí.
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.