Vigtigste FysikTrykket inde i hver Proton er 10 gange det inde i Neutronstjerner

Trykket inde i hver Proton er 10 gange det inde i Neutronstjerner

Fysik : Trykket inde i hver Proton er 10 gange det inde i Neutronstjerner

Neutronstjerner er berømte for at kombinere en meget høj densitet med en meget lille radius. Som resterne af massive stjerner, der har gennemgået gravitations-sammenbrud, komprimeres det indre af en neutronstjerne til det punkt, hvor de har lignende trykbetingelser som atomkerner. Grundlæggende bliver de så tæt, at de oplever den samme mængde internt tryk som ækvivalenten fra 2, 6 til 4, 1 quadrillion soler!

På trods af det har neutronstjerner intet på protoner, ifølge en nylig undersøgelse foretaget af forskere ved Energiministeriets Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Efter at have udført den første måling af de mekaniske egenskaber hos subatomære partikler, bestemte det videnskabelige team, at nær midten af ​​en proton er trykket ca. 10 gange større end trykket i hjertet af en neutronstjerne.

Undersøgelsen, der beskriver holdets fund, med titlen "Trykfordelingen inde i protonen", blev for nylig vist i det videnskabelige tidsskrift Nature. Undersøgelsen blev ledet af Volker Burkert, en kernefysiker ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) og medforfatter af Latifa Elouadrhiri og Francois-Xavier Girod - også fra TJNAF.

Tværsnit af en neutronstjerne. Kredit: Wikipedia Commons / Robert Schulze

Grundlæggende fandt de, at trykforholdene i midten af ​​en proton var 100 decillion pascaler - cirka 10 gange trykket i hjertet af en neutronstjerne. Imidlertid fandt de også, at trykket inde i partiklen ikke er ensartet og falder, når afstanden fra midten øges. Som Volker Burkert, Jefferson Lab Hall B-leder, forklarede:

”Vi fandt et ekstremt højt udadrettet tryk fra midten af ​​protonen og et meget lavere og mere udvidet indadrettet tryk nær protonens periferi… Vores resultater kaster også lys over fordelingen af ​​den stærke kraft inde i protonen. Vi leverer en måde at visualisere størrelsen og fordelingen af ​​den stærke kraft inde i protonen. Dette åbner en helt ny retning inden for nuklear og partikelfysik, der kan udforskes i fremtiden. ”

Protoner er sammensat af tre kvarker, der er bundet sammen af ​​den stærke atomkraft, den ene af de fire grundlæggende kræfter, der regerer universet - den anden er elektromagnetisme, tyngdekraft og svage kernekræfter. Mens elektromagnetisme og tyngdekraft giver de virkninger, der styrer stof i større skalaer, styrer svage og stærke atomkrafter materie på det subatomære niveau.

Tidligere troede forskere, at det var umuligt at få detaljeret information om subatomære partikler. Imidlertid kunne forskerne opnå resultater ved at parre to teoretiske rammer med eksisterende data, der bestod af modelleringssystemer, der er afhængige af elektromagnetisme og tyngdekraft. Den første model vedrører generaliserede partonfordelinger (BNP), mens den anden involverer gravitationsformfaktorer.

Kvarker inde i en proton oplever en kraft en størrelsesorden større end stof inde i en neutronstjerne. Kredit: DOE's Jefferson Lab

Patronmodellering henviser til modellering af subatomære enheder (som kvarker) inde i protoner og neutroner, som tillader videnskabsmand at skabe 3D-billeder af en protons eller neutronstruktur (som undersøgt af den elektromagnetiske kraft). Den anden model beskriver spredning af subatomære partikler ved klassiske tyngdefelter, som beskriver den mekaniske struktur af protoner, når de efterforskes via tyngdekraften.

Som bemærket troede forskere tidligere, at dette var umuligt på grund af den ekstreme svaghed i gravitationsinteraktionen. Imidlertid har det nylige teoretiske arbejde indikeret, at det kunne være muligt at bestemme den protoniske mekaniske struktur ved anvendelse af elektromagnetiske sonder som en erstatning for gravitationssonder. Ifølge Latifa Elouadrhiri - en videnskabsmand og medforfatter på Jefferson Lab på papiret - er det deres team bestræbte sig for at bevise.

”Dette er det smukke. Du har dette kort, som du tror, ​​du aldrig vil få, ”sagde hun. ”Men her er vi, og udfylder den med denne elektromagnetiske sonde.”

Af hensyn til deres undersøgelse brugte teamet DOE's kontinuerlige elektronstråleacceleratorfacilitet ved TJNAF til at skabe en stråle af elektroner. Disse blev derefter dirigeret ind i atomkernerne, hvor de interagerede elektromagnetisk med kvarkerne inde i protoner via en proces kaldet dybt virtual Compton scattering (DVCS). I denne proces udveksler en elektron en virtuel foton med en kvark og overfører energi til kvarket og protonen.

De nakne masser af alle 6 smag af kvarker, proton og elektron, vist i proportional volumen. Kredit: Wikipedia / Incnis Mrsi

Kort derefter frigiver protonen denne energi ved at udsende en anden foton, mens den forbliver intakt. Gennem denne proces var teamet i stand til at producere detaljerede oplysninger om mekanikerne, der foregik inde i de protoner, de undersøgte. Som Francois-Xavier Girod, en forsker og medforfatter på Jefferson Lab på papiret, forklarede processen:

”Der kommer en foton ind og en foton kommer ud. Og begge fotoner er spin-1. Det giver os de samme oplysninger som at udveksle en gravitonpartikel med spin-2. Så nu kan man stort set gøre det samme, som vi har gjort i elektromagnetiske processer - men i forhold til tyngdeformfaktorer, der repræsenterer protonens mekaniske struktur. ”

Det næste skridt vil ifølge forskerteamet være at anvende teknikken på endnu mere præcise data, der snart frigives. Dette vil mindske usikkerheden i den aktuelle analyse og give teamet mulighed for at afsløre andre mekaniske egenskaber inde i protoner - som de indre forskydningskræfter og protonens mekaniske radius. Disse resultater, og holdet håber at afsløre i fremtiden, er sikker på at være af interesse for andre fysikere.

”Vi leverer en måde at visualisere størrelsen og fordelingen af ​​den stærke styrke inde i protonen, ” sagde Burkert. "Dette åbner en helt ny retning inden for nuklear og partikelfysik, der kan udforskes i fremtiden."

Måske bare måske vil det bringe os nærmere forståelsen af, hvordan de fire grundlæggende kræfter i universet interagerer. Mens forskere forstår, hvordan elektromagnetisme og svage og stærke kernekræfter interagerer med hinanden (som beskrevet af Quantum Mechanics), er de stadig usikre på, hvordan disse interagerer med tyngdekraften (som beskrevet af General Relativity).

Hvis og når de fire kræfter kan forenes i en teori om alt (ToE), fjernes en af ​​de sidste og største forhindringer for en fuldstændig forståelse af universet.

Yderligere læsning: Jefferson Lab, Cosmos Magazine, Nature

Kategori:
Bag scenerne i NASAs kommende MMORPG
Udforske isgiganterne: Neptunus og Uranus i opposition til 2018