pola towarzyszące. Image credit: Brookhaven National Laboratory.
Jeśli podzieliłbyś cząstki tworzące twoje ciało na coraz mniejsze kawałki, przekonałbyś się, że na każdym kroku – przynajmniej pod względem masy – całość była równa sumie swoich części. Gdybyś rozłożył swoje ciało na poszczególne kości, tłuszcz i organy, złożyłyby się one na całego człowieka. Gdybyś podzielił je jeszcze bardziej, na komórki, to znowu, komórki nadal miałyby taką samą masę jak ty. Komórki mogą być podzielone na organelle, organelle na pojedyncze molekuły, molekuły na atomy, a atomy na protony, neutrony i elektrony. Na tym poziomie istnieje drobna, ale zauważalna różnica: poszczególne protony, neutrony i elektrony są o około 1% mniejsze od człowieka, dzięki energii wiązania jądrowego.
około 0,8% od poszczególnych protonów i neutronów, które go tworzą, dzięki energii wiązania jądrowego. Image credit: Delia Walsh z http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Atom węgla, składający się z sześciu protonów i sześciu neutronów, jest w przybliżeniu o 0,8% lżejszy od poszczególnych cząstek składowych, które go tworzą. Sposób powstawania węgla polega na fuzji jądrowej wodoru w hel, a następnie helu w węgiel; uwolniona energia jest tym, co zasila większość typów gwiazd zarówno w fazie normalnej, jak i w fazie czerwonego olbrzyma, a „utracona masa” jest tym, skąd pochodzi ta energia, dzięki Einsteinowskiemu E = mc2. W ten sposób działa większość rodzajów energii wiążącej: powodem, dla którego trudniej jest rozdzielić wiele rzeczy, które są ze sobą związane, jest to, że uwolniły one energię, gdy były połączone, i trzeba włożyć energię, aby je ponownie uwolnić.
Which is why it’s such a puzzling fact that when you take a look at the particles that make up the proton – the three different quarks at the heart of them – their combined masses are only 0.2% of the mass of the proton as a whole.
(in MeV) in the upper right. Proton, składający się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, ma masę ~938 MeV/c^2. Obrazek: Wikimedia Commons użytkownika MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, na licencji c.c.a.-3.0 unported.
Sposób, w jaki kwarki wiążą się w protony jest zasadniczo różny od wszystkich innych sił i oddziaływań, o których wiemy. Zamiast siły, która staje się silniejsza, gdy obiekty się zbliżają – jak w przypadku sił grawitacyjnych, elektrycznych czy magnetycznych – siła przyciągania spada do zera, gdy kwarki zbliżają się arbitralnie. I zamiast siły słabnącej, gdy obiekty oddalają się od siebie, siła przyciągająca kwarki do siebie staje się tym silniejsza, im dalej się oddalają.
Ta właściwość silnej siły jądrowej znana jest jako asymptotyczna swoboda, a cząstki, które pośredniczą w działaniu tej siły znane są jako gluony. W jakiś sposób energia spajająca proton, pozostałe 99,8% masy protonu, pochodzi od tych gluonów.
połączona przez (sprężyste) gluony, struktura protonu jest znacznie bardziej skomplikowana, z dodatkowymi (morskimi) kwarkami i gluonami zaludniającymi wnętrze protonu. Zdjęcie: Niemiecki Synchrotron Elektronowy (DES), oraz zespoły HERA i ZEUS.
Z powodu tego, jak działa silna siła jądrowa, istnieją duże niewiadome co do tego, gdzie te gluony są rzeczywiście zlokalizowane w dowolnym momencie. Obecnie mamy solidny model średniej gęstości gluonów wewnątrz protonu, ale jeśli chcemy wiedzieć, gdzie gluony są rzeczywiście bardziej prawdopodobne, aby być zlokalizowane, to wymaga więcej danych eksperymentalnych, jak również lepsze modele do porównania danych z. Ostatnie odkrycia teoretyków Björna Schenke i Heikki Mäntysaari mogą być w stanie dostarczyć tych bardzo potrzebnych modeli. Jak wyszczególnił Mäntysaari:
Bardzo dokładnie wiadomo, jak duża jest średnia gęstość gluonów wewnątrz protonu. Nie wiadomo natomiast, gdzie dokładnie znajdują się gluony wewnątrz protonu. Modelujemy gluony jako rozmieszczone wokół trzech kwarków. Następnie kontrolujemy ilość fluktuacji reprezentowanych w modelu poprzez ustawienie jak duże są chmury gluonów i jak daleko są od siebie.
gluony i spin kwarka pokazany. Image credit: Brookhaven National Laboratory.
Gdy zderzają się dwie cząstki, takie jak protony, proton i ciężki jon lub dwa ciężkie jony, nie można po prostu modelować ich jako zderzeń proton-proton. Zamiast tego widzimy rozkład trzech typów zderzeń: zderzenia kwark-kwark, zderzenia kwark-gluon lub zderzenia gluon-gluon. W rzeczywistości zderzają się składniki tych subatomowych cząstek, a nie całe struktury (protony). Podczas gdy przy niższych energiach prawie zawsze zderzają się kwarki, wyższe energie osiągane przez RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) w Brookhaven oraz przez LHC w CERN mają bardzo wysokie prawdopodobieństwo oddziaływań gluon-gluon, co potencjalnie może ujawnić położenie gluonów wewnątrz protonu. Jak kontynuuje Mäntysaari:
Ten proces w ogóle nie zachodzi, jeśli proton zawsze wygląda tak samo. Im więcej mamy fluktuacji, tym bardziej prawdopodobne jest, że ten proces zachodzi.
protonu, w tym jak rozmieszczone są kwarki „morskie” i gluony, udało się osiągnąć zarówno dzięki eksperymentalnym ulepszeniom, jak i nowym teoretycznym opracowaniom w tandemie. Image credit: Brookhaven National Laboratory.
Połączenie tego nowego modelu teoretycznego i coraz lepszych danych z LHC pozwoli naukowcom lepiej zrozumieć wewnętrzną, fundamentalną strukturę protonów, neutronów i jąder w ogóle, a tym samym zrozumieć, skąd pochodzi masa znanych obiektów we Wszechświecie. Największym dobrodziejstwem dla tego typu badań byłby jednak rozwój Zderzacza Elektronowo-Jonowego (EIC), który jest proponowany przez wiele kolaboracji na całym świecie. W przeciwieństwie do RHIC czy LHC, w których protony zderzane są z jonami, co daje bardzo nieporządany sygnał końcowy, EIC byłby znacznie bardziej kontrolowany, ponieważ wewnątrz elektronu nie ma żadnych wewnętrznych, niekontrolowanych ruchów, które mogłyby zakłócić wyniki eksperymentów.
Zderzacz elektronowo-jonowy (EIC). Dodanie pierścienia elektronowego (czerwony) do Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (RHIC) w Brookhaven stworzyłoby eRHIC. Image credit: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group.
Jeśli chcesz zbadać wewnętrzną strukturę protonu lub zbioru jąder, głębokie rozpraszanie nieelastyczne jest jedyną drogą do tego celu. Biorąc pod uwagę, że zderzacz rozpoczął tę podróż mniej niż sto lat temu, a obecnie osiągamy energie około 10 000 razy większe niż na początku, badanie i zrozumienie tego, w jaki sposób materia uzyskuje swoją masę może być w końcu w naszym zasięgu. Plazma kwarkowo-gluonowa wewnątrz jądra i towarzyszące jej fluktuacje mogą być wreszcie gotowe, by wyjawić nam swoje tajemnice. A kiedy tak się stanie, jedna z najdłużej istniejących tajemnic fizyki, skąd pochodzi masa znanej nam materii (wciąż będąca zagadką nawet po odkryciu cząstki Higgsa), może w końcu ustąpić ludzkości.
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub inne moje prace tutaj.