siihen liittyvät kentät. Kuvan luotto: Brookhaven National Laboratory.
Jos jakaisit kehosi muodostavat hiukkaset yhä pienempiin palasiin, huomaisit, että jokaisella askeleella matkan varrella – ainakin massan suhteen – kokonaisuus oli yhtä suuri kuin osiensa summa. Jos hajottaisit kehosi yksittäisiin luihin, rasvaan ja elimiin, ne muodostaisivat kokonaisen ihmisen. Jos ne pilkottaisiin edelleen soluiksi, solut muodostaisivat edelleen saman massan kuin sinä itse. Solut voidaan jakaa organelleiksi, organellit yksittäisiksi molekyyleiksi, molekyylit atomeiksi ja atomit protoneiksi, neutroneiksi ja elektroneiksi. Tuolla tasolla on pieni mutta huomattava ero: yksittäiset protonit, neutronit ja elektronit poikkeavat ydinsidosenergian ansiosta aivan noin 1 % ihmisestä.
ydinsidosenergian ansiosta noin 0,8 % pienemmät kuin yksittäiset protonit ja neutronit, joista se koostuu. Kuvan luotto: Delia Walsh of http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Kuudesta protonista ja kuudesta neutronista koostuva hiiliatomi on noin 0,8 % kevyempi kuin sen muodostavat yksittäiset komponenttihiukkaset. Hiili muodostuu vedyn ydinfuusiossa heliumiksi ja sitten heliumista hiileksi; vapautuva energia on se, mikä antaa voimaa useimmille tähtityypeille sekä niiden tavallisessa että punaisen jättiläisen vaiheessa, ja ”menetetty massa” on se, mistä tuo energia on peräisin, kiitos Einsteinin E = mc2:n. Näin toimivat useimmat sidosenergiatyypit: useita toisiinsa sidottuja asioita on vaikeampi irrottaa toisistaan, koska niistä vapautui energiaa, kun ne liitettiin toisiinsa, ja niiden vapauttamiseksi on käytettävä energiaa.
Siksi on niin hämmentävää, että kun tarkastellaan protonin muodostavia hiukkasia – kolmea erilaista kvarkkia niiden ytimessä – niiden yhteenlaskettu massa on vain 0,2 % koko protonin massasta.
(MeV:ssä) oikeassa yläkulmassa. Kahdesta up-kvarkista ja yhdestä down-kvarkista koostuvan protonin massa on ~938 MeV/c^2. Kuvan luotto: Wikimedia Commonsin käyttäjä MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, c.c.a.-3.0 unported -lisenssillä.
Tapa, jolla kvarkit sitoutuvat protoneihin, eroaa olennaisesti kaikista muista tuntemistamme voimista ja vuorovaikutuksista. Sen sijaan, että voima voimistuisi kohteiden lähestyessä – kuten gravitaatio-, sähkö- tai magneettivoimat – vetovoima laskee nollaan, kun kvarkit tulevat mielivaltaisen lähelle. Ja sen sijaan, että voima heikkenisi, kun kohteet etääntyvät, kvarkkeja yhteen vetävä voima voimistuu, mitä kauemmaksi ne etääntyvät.
Tämä vahvan ydinvoiman ominaisuus tunnetaan nimellä asymptoottinen vapaus, ja hiukkasia, jotka välittävät tätä voimaa, kutsutaan gluoneiksi. Jotenkin protonin yhteen sitova energia, toinen 99,8 % protonin massasta, tulee näistä gluonista.
(Jousimaiset) gluonit yhdistävät toisiinsa, ja protonin rakenne on paljon monimutkaisempi, sillä ylimääräiset (meri)kvarkit ja gluonit kansoittavat protonin sisuksen. Kuvat: Saksan elektronisynkrotroni (DES) sekä HERA- ja ZEUS-yhteistyöryhmät.
Vahvan ydinvoiman toiminnasta johtuen on suuria epävarmuustekijöitä sen suhteen, missä nämä gluonit todellisuudessa milloinkin sijaitsevat. Meillä on tällä hetkellä vankka malli keskimääräisestä gluonitiheydestä protonin sisällä, mutta jos haluamme tietää, missä gluonit todellisuudessa todennäköisemmin sijaitsevat, se vaatii lisää kokeellista dataa sekä parempia malleja, joihin verrata dataa. Teoreetikoiden Björn Schenken ja Heikki Mäntysaaren viimeaikaiset edistysaskeleet voivat tarjota näitä kipeästi kaivattuja malleja. Kuten Mäntysaari tarkensi:
Tiedetään hyvin tarkasti, kuinka suuri keskimääräinen gluonitiheys on protonin sisällä. Se, mitä ei tiedetä, on se, missä gluonit tarkalleen ottaen sijaitsevat protonin sisällä. Mallinnamme gluonien sijaitsevan kolmen kvarkin ympärillä. Sitten kontrolloimme mallissa esitettyjen fluktuaatioiden määrää asettamalla, kuinka suuria gluonipilvet ovat ja kuinka kaukana ne ovat toisistaan.
gluonit, ja kvarkkien spin esitetty. Kuvan luotto: Brookhaven National Laboratory.
Kun törmää kaksi hiukkasta, kuten protonit, protoni ja raskas ioni tai kaksi raskasta ionia yhteen, niitä ei voi yksinkertaisesti mallintaa protoni-protonitörmäyksiksi. Sen sijaan näet kolmenlaisten törmäysten jakauman: kvarkki-kvarkki törmäykset, kvarkki-gluonitörmäykset tai gluoni-gluonitörmäykset. Näissä subatomisissa hiukkasissa olevat komponentit itse asiassa törmäävät toisiinsa pikemminkin kuin kokonaiset rakenteet (protonit) itsessään. Pienemmillä energioilla törmäävät lähes aina kvarkit, mutta Brookhavenissa sijaitsevan RHIC:n (Relativistic Heavy Ion Collider) ja CERN:n LHC:n saavuttamissa korkeammissa energioissa gluoni-gluoni-vuorovaikutusten todennäköisyys on erittäin suuri, ja ne voivat paljastaa gluonien sijainnin itse protonin sisällä. Kuten Mäntysaari jatkoi:
Tätä prosessia ei tapahdu lainkaan, jos protoni näyttää aina samalta. Mitä enemmän meillä on vaihtelua, sitä todennäköisemmin tämä prosessi tapahtuu.
protonista, mukaan lukien se, miten ”meren” kvarkit ja gluonit jakautuvat, on saavutettu sekä kokeellisten parannusten että uusien teoreettisten kehityskulkujen avulla yhtä aikaa. Kuvan luotto: Brookhaven National Laboratory.
Tämän uuden teoreettisen mallin ja jatkuvasti paranevan LHC-datan yhdistelmä antaa tutkijoille paremmat mahdollisuudet ymmärtää paremmin protonien, neutronien ja ytimien sisäistä, perustavaa laatua olevaa rakennetta yleensä ja siten ymmärtää, mistä maailmankaikkeuden tunnettujen kappaleiden massa on peräisin. Suurimman hyödyn tämäntyyppiselle tutkimukselle toisi kuitenkin elektroni-ionitörmäyttimen (Electron-Ion Collider, EIC) kehittäminen, jota monet yhteistyötahot eri puolilla maailmaa ovat ehdottaneet törmäyttimeksi. Toisin kuin RHIC:ssä tai LHC:ssä, joissa protonit törmäävät ioneihin – mikä johtaa hyvin sotkuiseen loppusignaaliin – EIC olisi paljon hallitumpi, koska elektronin sisällä ei ole sisäisiä, kontrolloimattomia liikkeitä, jotka sekoittaisivat koetuloksia.
törmäytin (EIC). Elektronirenkaan (punainen) lisääminen Brookhavenin Relativistic Heavy Ion Collideriin (RHIC) loisi eRHIC:n. Kuvan luotto: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC-ryhmä.
Jos haluat tutkia protonin tai ydinkokoelman sisäistä rakennetta, syvä kimmoton sironta on ainoa oikea tapa. Kun otetaan huomioon, että törmäyslaitteilla aloitettiin tämä matka alle sata vuotta sitten ja että nyt saavutamme noin 10 000-kertaisesti suurempia energioita kuin aloittaessamme, sen tutkiminen ja ymmärtäminen, miten aine saa massansa, saattaa vihdoin olla ulottuvillamme. Ytimen sisällä oleva kvark-gluoniplasma ja siihen liittyvät vaihtelut voivat vihdoin olla valmiita paljastamaan meille salaisuutensa. Ja kun se tekee niin, yksi fysiikan pitkäaikaisimmista mysteereistä, eli se, mistä tunnetun aineen massa on peräisin (edelleen mysteeri Higgsin löytymisen jälkeenkin), saattaa vihdoin avautua ihmiskunnalle.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.