câmpurile aferente. Credit imagine: Brookhaven National Laboratory.
Dacă ar fi să împărțiți particulele care v-au alcătuit corpul în bucăți din ce în ce mai mici, ați descoperi că la fiecare pas pe parcurs – cel puțin din punct de vedere al masei – întregul este egal cu suma părților sale. Dacă v-ați împărți corpul în oasele, grăsimea și organele sale individuale, acestea ar însuma o ființă umană întreagă. Dacă le-ai descompune și mai mult, în celule, din nou, celulele ar însuma în continuare aceeași masă ca și tine. Celulele pot fi împărțite în organite, organitele pot fi împărțite în molecule individuale, moleculele în atomi, iar atomii în protoni, neutroni și electroni. La acest nivel, există o diferență minusculă, dar vizibilă: protonii, neutronii și electronii individuali sunt cu aproximativ 1% mai mici decât un om, datorită energiei de legare nucleară.
cu aproximativ 0,8% mai mici decât protonii și neutronii individuali care îl compun, datorită energiei de legare nucleară. Credit imagine: Delia Walsh de la http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Un atom de carbon, alcătuit din șase protoni și șase neutroni, este cu aproximativ 0,8% mai ușor decât particulele individuale componente care îl alcătuiesc. Modul în care se formează carbonul este prin fuziunea nucleară a hidrogenului în heliu și apoi a heliului în carbon; energia eliberată este cea care alimentează majoritatea tipurilor de stele, atât în faza normală, cât și în faza de gigantă roșie, iar „masa pierdută” este cea din care provine această energie, datorită lui E = mc2 al lui Einstein. Acesta este modul în care funcționează majoritatea tipurilor de energie de legare: motivul pentru care este mai greu să desparți mai multe lucruri care sunt legate între ele este că au eliberat energie atunci când au fost unite, iar tu trebuie să pui energie pentru a le elibera din nou.
De aceea este un fapt atât de derutant faptul că, atunci când aruncați o privire la particulele care alcătuiesc protonul – cele trei quarcuri diferite din centrul lor – masele lor combinate reprezintă doar 0,2% din masa protonului ca întreg.
(în MeV) în dreapta sus. Un proton, alcătuit din doi quarci up și un quarc down, are o masă de ~938 MeV/c^2. Credit imagine: Wikimedia Commons user MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, sub licență c.c.a.-3.0 unported.
Modul în care quarcii se leagă în protoni este fundamental diferit de toate celelalte forțe și interacțiuni pe care le cunoaștem. În loc ca forța să devină mai puternică atunci când obiectele se apropie – precum forțele gravitaționale, electrice sau magnetice – forța de atracție scade până la zero atunci când quarcii se apropie în mod arbitrar. Și în loc ca forța să devină mai slabă atunci când obiectele se îndepărtează, forța care atrage quarcii înapoi împreună devine mai puternică cu cât se îndepărtează mai mult.
Această proprietate a forței nucleare puternice este cunoscută sub numele de libertate asimptotică, iar particulele care mediază această forță sunt cunoscute sub numele de gluoni. Cumva, energia care leagă protonul între ele, adică ceilalți 99,8% din masa protonului, provine de la acești gluoni.
conectată de gluoni (ca un resort), structura protonului este mult mai complicată, cu quarci și gluoni (de mare) suplimentari care populează interiorul protonului. Credit de imagine: Sincrotonul german de electroni (DES) și colaborările HERA și ZEUS.
Din cauza modului în care funcționează forța nucleară puternică, există mari incertitudini cu privire la locul în care se află efectiv acești gluoni în orice moment. În prezent, avem un model solid al densității medii de gluoni în interiorul unui proton, dar dacă dorim să știm unde este de fapt mai probabil ca gluonii să fie localizați, este nevoie de mai multe date experimentale, precum și de modele mai bune pentru a compara datele. Progresele recente ale teoreticienilor Björn Schenke și Heikki Mäntysaari ar putea fi în măsură să ofere aceste modele atât de necesare. După cum a detaliat Mäntysaari:
Se știe cu foarte mare precizie cât de mare este densitatea medie de gluoni în interiorul unui proton. Ceea ce nu se știe este unde anume sunt localizați gluonii în interiorul protonului. Noi modelăm gluonii ca fiind localizați în jurul celor trei quarci. Apoi, controlăm cantitatea de fluctuații reprezentate în model prin stabilirea dimensiunii norilor de gluoni și a distanței dintre ei.
gluoni și spinul quarcului indicat. Credit imagine: Brookhaven National Laboratory.
Când ciocniți două particule precum protonii, un proton și un ion greu sau doi ioni grei împreună, nu le puteți modela pur și simplu ca fiind ciocniri proton-proton. În schimb, vedeți o distribuție a trei tipuri de coliziuni: coliziuni quark-quark, coliziuni quark-gluon sau coliziuni gluon-gluon. Componentele din cadrul acestor particule subatomice sunt cele care se ciocnesc de fapt, mai degrabă decât structurile întregi (protonii) în sine. În timp ce, la energii mai mici, aproape întotdeauna se ciocnesc quarci, energiile mai mari atinse de RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de la Brookhaven și de LHC de la CERN au o probabilitate foarte mare de interacțiuni gluon-gluon, cu potențialul de a dezvălui locația gluonilor în interiorul unui proton. După cum a continuat Mäntysaari:
Acest proces nu se întâmplă deloc dacă protonul arată întotdeauna la fel. Cu cât avem mai multe fluctuații, cu atât este mai probabil ca acest proces să se întâmple.
a unui proton, inclusiv modul în care sunt distribuiți quarcii și gluonii „de mare”, a fost realizat atât prin îmbunătățiri experimentale, cât și prin noi dezvoltări teoretice în tandem. Credit imagine: Brookhaven National Laboratory.
Combinarea acestui nou model teoretic și a datelor din ce în ce mai bune de la LHC va permite oamenilor de știință să înțeleagă mai bine structura internă, fundamentală a protonilor, neutronilor și nucleelor în general și, prin urmare, să înțeleagă de unde provine masa obiectelor cunoscute din Univers. Cu toate acestea, cel mai mare beneficiu pentru acest tip de cercetare ar fi dezvoltarea unui accelerator de electroni și ioni (EIC), un accelerator propus de numeroase colaborări din întreaga lume. Spre deosebire de RHIC sau de LHC, care ciocnesc protoni cu ioni – rezultând un semnal final foarte dezordonat – un EIC ar fi mult mai controlat, deoarece nu există mișcări interne, incontrolabile în interiorul unui electron care să încurce rezultatele experimentale.
colider (EIC). Adăugarea unui inel de electroni (roșu) la acceleratorul relativist de ioni grei (Relativistic Heavy Ion Collider – RHIC) de la Brookhaven ar crea eRHIC. Credit imagine: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group.
Dacă doriți să studiați structura internă a unui proton sau a unei colecții de nuclee, împrăștierea inelastică profundă este singura cale de urmat. Având în vedere că acceleratoarele de coliziuni au început această călătorie cu mai puțin de un secol în urmă și că acum atingem energii cu aproximativ 10.000 de ori mai mari decât atunci când am început, sondarea și înțelegerea exactă a modului în care materia își obține masa ar putea fi, în sfârșit, la îndemâna noastră. Plasma quark-gluon din interiorul nucleului și fluctuațiile aferente ar putea fi, în sfârșit, gata să ne dezvăluie secretele sale. Iar când o va face, unul dintre cele mai vechi mistere ale fizicii, de unde provine masa materiei cunoscute (încă un mister chiar și după descoperirea lui Higgs), ar putea ceda în cele din urmă în fața umanității.
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.