کشف جزئیات پادماده درونی پروتون پس از ده‌ها سال مطالعه

منتشر‌شده در: مجله quanta به تاریخ ۲۴ فوریه ۲۰۲۱
لینک منبع: Decades-Long Quest Reveals Details of the Proton’s Inner Antimatter

اغلب ذکر نشده است که پروتون‌ها، ذرات ماده باردار مثبت در مرکز اتم‌ها، بخشی از پادماده هستند. در مدرسه یاد می‌گیریم که یک پروتون مجموعه‌ای از سه ذره ابتدایی به نام کوارک‌ها-دو کوارک‌ها و یک کوارک «پایین» است، که بارهای الکتریکی آن (به ترتیب ۲ + / ۳ و ۱-/ ۳) با هم ترکیب می‌شوند تا بار پروتون ۱ + را ایجاد کنند. اما آن تصویر ساده پوششی بر روی یک داستان بسیار غریبه و در عین حال حل نشده است.

در واقع، درون پروتون با تعداد نوسانی شش نوع کوارک‌ها، همتایان مخالف با بار مخالف پادماده (آنتی کوارک‌ها) ، و ذرات «چسب» که دیگران را به هم متصل می‌کنند، به آن‌ها تبدیل می‌شوند و به آسانی ضرب می‌شوند، می‌چرخد. به هر حال، این کار خسته‌کننده کاملا ثابت و ظاهرا ساده است - از برخی جهات. دونالد گزمان، فیزیکدان هسته‌ای در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینویز گفت: «این که همه چیز چطور پیش می‌رود، کاملا یک معجزه است.»

سی سال پیش، محققان یک ویژگی برجسته از این «دریای پروتون» را کشف کردند. تئوریستین‌ها انتظار داشتند که آن شامل گسترش یکنواختی از انواع مختلف پادماده باشد؛ در عوض، به نظر می‌رسید تعداد آنتی کوارک‌های پایین به طور قابل‌توجهی از تعداد آنتی کوارک‌های بالا بیشتر است. سپس، یک دهه بعد، گروه دیگری نشانه‌هایی از تغییرات مبهم در نسبت پایین به بالا آنتی کوارک را مشاهده کردند. اما نتایج درست در لبه حساسیت آزمایش بودند.

بنابراین، ۲۰ سال پیش، گزمان و یک همکار به نام پل ریمر، یک آزمایش جدید را برای تحقیق آغاز کردند. این آزمایش، که SeaQuest نامیده می‌شود، در نهایت به پایان رسیده‌است، و محققان یافته‌های خود را امروز در مجله طبیعت گزارش می‌کنند. آن‌ها پادماده داخلی پروتون را با جزییات بیشتری نسبت به قبل اندازه‌گیری کردند، و دریافتند که به طور متوسط ۱.۴ آنکوارک برای هر آنکوارک بالا وجود دارد.

داده‌ها بلافاصله به نفع دو مدل نظری دریای پروتون هستند. ریمر گفت: «این اولین مدرک واقعی است که از مدل‌هایی که بیرون آمده‌اند پشتیبانی می‌کند.»

یکی از این مدل‌ها، مدل «ابر پیون» است که یک رویکرد محبوب و چند دهه‌ای است که بر تمایل پروتون برای انتشار و جذب مجدد ذرات به نام پیون تاکید می‌کند، که متعلق به گروهی از ذرات به نام مزون است. مدل دیگر، که مدل آماری نامیده می‌شود، با پروتون مانند یک ظرف پر از گاز رفتار می‌کند.

شاید به مطالعه مقاله رد پای نوترینوی کیهانی نادر به سیاهچاله‌های ستاره‌ای رسید علاقمند باشید.

آزمایش‌های آینده برنامه‌ریزی‌شده به محققان کمک خواهند کرد تا بین این دو تصویر یکی را انتخاب کنند. اما هر مدلی که درست باشد، داده‌های سخت SeaQuest درباره پادماده داخلی پروتون بلافاصله مفید خواهد بود، به خصوص برای فیزیک‌دانانی که پروتون‌ها را با سرعت تقریبا سبک در برخورددهنده هادرون بزرگ اروپا درهم می‌شکنند. وقتی آن‌ها دقیقا می‌دانند که در اشیا برخورد کننده چه چیزی وجود دارد، بهتر می‌توانند از میان خرده‌سنگ‌های برخورد به دنبال شواهدی از ذرات یا اثرات جدید باشند. خوان روجو از دانشگاه VU آمستردام، که به تحلیل داده‌های LHC کمک می‌کند، گفت که اندازه‌گیری SeaQuest «می‌تواند تاثیر زیادی» در جستجوی فیزیک جدید داشته باشد، که در حال حاضر «با دانش ما از ساختار پروتون، به ویژه محتوای پادماده آن محدود شده‌است.»

شرکت Three

برای یک دوره کوتاه در حدود نیم‌قرن پیش، فیزیک‌دانان فکر می‌کردند که آن‌ها پروتون را مرتب کرده‌اند.

در سال ۱۹۶۴، مورای گل-مان و جورج زوایگ به طور مستقل چیزی را پیشنهاد کردند که به عنوان مدل کوارک شناخته شد-ایده‌ای که پروتون‌ها، نوترون‌ها و ذرات نادرتر مربوطه، مجموعه‌ای از سه کوارک هستند (همان طور که گل-مان آن‌ها را نامگذاری کرد)، در حالی‌که پین‌ها و مزون های دیگر از یک کوارک و یک پادکوارک ساخته شده‌اند. این طرح، نامنظمی ذرات اسپری شده از شتاب‌دهنده‌های ذرات با انرژی بالا را نشان می‌دهد، زیرا طیف باره‌ای آن‌ها همگی می‌توانند از ترکیب‌های دو و سه بخشی ساخته شوند. سپس، در حدود سال ۱۹۷۰، محققان در شتابدهنده SLAC استنفورد، وقتی که الکترون‌های سرعت بالا را در پروتون‌ها شلیک کردند و دیدند که الکترون‌ها از داخل اشیا کمانه می‌کنند، پیروزمندانه مدل کوارک را تایید کردند.

اما این تصویر خیلی زود تیره و تار شد. چاک براون، یک عضو ۸۰ ساله تیم SeaQuest در آزمایشگاه ملی اکسلرتور فرمی که از دهه ۱۹۷۰ بر روی آزمایش‌های کوارکی کار کرده‌است، گفت: «وقتی ما شروع به اندازه‌گیری بیشتر و بیشتر خواص آن سه کوارکی کردیم، متوجه شدیم که چیزهای بیشتری در حال رخ دادن است.»

بررسی حرکت سه کوارکی نشان داد که توده‌های آن‌ها بخش کوچکی از جرم کل پروتون را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، هنگامی که SLAC الکترون‌های سریع‌تر را در پروتون‌ها شلیک کرد، محققان دیدند که الکترون‌ها از چیزهای بیشتری در داخل آن‌ها جدا شدند. هرچه الکترون‌ها سریع‌تر باشند، طول موج‌های آن‌ها کوتاه‌تر می‌شود، که آن‌ها را نسبت به ویژگی‌های ریزدانه پروتون حساس می‌کند، انگار که آن‌ها قدرت تفکیک یک میکروسکوپ را به دست آورده‌اند. ذرات داخلی بیشتر و بیشتری آشکار شدند، ظاهرا بدون محدودیت. گزمان گفت: «هیچ راه‌حلی وجود ندارد که ما از آن اطلاع داشته باشیم.»

هنگامی که فیزیک‌دانان نظریه واقعی را مطرح کردند که مدل کوارک تنها تقریب می‌زند: کرومودینامیک کوانتومی یا QCD. در سال ۱۹۷۳، QCD "نیروی قوی" قوی‌ترین نیروی طبیعت را توصیف می‌کند که در آن ذرات به نام گلئون‌ها، دسته‌های کوارک‌ها را به هم متصل می‌کنند.

در واقع QCD همان مالستروم را پیش‌بینی می‌کند که آزمایش‌ها پراکندگی مشاهده کرده‌اند. این مشکلات به این دلیل ایجاد می‌شوند که گلون همان نیرویی را که حمل می‌کند احساس می‌کند. (آن‌ها از این نظر با فوتون‌ها تفاوت دارند، که نیروی الکترومغناطیسی ساده‌تری را حمل می‌کنند.) این خود معامله یک باتلاق در داخل پروتون ایجاد می‌کند، و به گلون‌ها اجازه می‌دهد تا آزادانه به وجود آیند، تکثیر شوند و به جفت‌های کوارک - آنتی کوارک با عمر کوتاه تقسیم شوند. از دور، این کوارک‌ها و ضدکوارک‌ها که از فاصله نزدیک با یکدیگر قرار دارند، حذف می‌شوند و نادیده گرفته می‌شوند. (تنها سه کوارک‌های ظرفیت نامتوازن-دو بالا و یک پایین-به بار کلی پروتون کمک می‌کنند.) اما فیزیک‌دانان متوجه شدند که وقتی در الکترون‌های سریع‌تر شلیک می‌کنند، به هدف‌های کوچک ضربه می‌زنند.

با این حال، عجیب و غریب بودن همچنان ادامه داشت.

گلون‌های خود‌انگیخته، معادلات QCD را به طور کلی غیرقابل حل می‌کند، بنابراین فیزیک‌دانان نمی‌توانند -و هنوز هم نمی‌توانند- پیش‌بینی‌های دقیق نظریه را محاسبه کنند. اما آن‌ها دلیلی نداشتند که فکر کنند گلون‌ها باید بیشتر از بقیه به یک نوع کوارک -جفت آنتی کوارک- تقسیم شود. ماری آلبرگ، یک نظریه‌پرداز هسته‌ای در دانشگاه سیاتل، با توضیح این استدلال در آن زمان گفت: «ما انتظار داریم که هر دوی آن‌ها تولید شوند.»

از این رو، زمانی که در سال ۱۹۹۱، هم‌کاری جدید Moon در ژنو‌مون‌های پراکنده، خواهر و برادر سنگین‌تر الکترون‌ها، خارج از پروتون‌ها و دوترون‌ها (شامل یک پروتون و یک نوترون)، نتایج را مقایسه کرد، و نتیجه گرفت که به نظر می‌رسد پادکوارک‌های پایین‌تر از پادکوارک‌های بالا، در اطراف دریای پروتون پخش می‌شوند.

بخش‌های پروتون

تئوریسین‌ها خیلی زود با چند روش ممکن برای توضیح عدم تقارن پروتون ظاهر شدند.

یکی از آن‌ها شامل پیون است. از دهه ۱۹۴۰، فیزیک‌دانان پروتون‌ها و نوترون‌ها را دیده‌اند که در حال عبور پیون‌ها در داخل هسته‌های اتمی هستند مانند هم‌تیمی‌هایی که توپ‌های بسکتبال را به یکدیگر پرتاب می‌کنند، فعالیتی که به ارتباط آن‌ها با یکدیگر کمک می‌کند. در هنگام فکر کردن بر روی پروتون، محققان متوجه شدند که آن همچنین می‌تواند یک توپ بسکتبال را به سمت خودش پرتاب کند - یعنی می‌تواند به طور خلاصه یک پیون با بار مثبت را منتشر کند و دوباره جذب کند و در عین حال به یک نوترون تبدیل شود. آلبرگ گفت: «اگر شما یک آزمایش انجام دهید و فکر می‌کنید که به یک پروتون نگاه می‌کنید، خودتان را گول می‌زنید، چون برخی اوقات که پروتون در حال نوسان در این جفت نوترون-پیون است.»

به طور خاص، پروتون به یک نوترون و یک پیون ساخته‌شده از یک کوارک بالا و یک آنتی کوارک پایین تبدیل می‌شود. از آنجا که این پدیده دارای یک پادکوارک پایین است (یک پیون حاوی یک پادکوارک بالا نمی‌تواند به راحتی تحقق یابد)، نظریه‌پردازانی مانند آلبرگ، جرالد میلر و تونی توماس استدلال کردند که ایده ابر پیون، مازاد پادکوارک اندازه‌گیری‌شده پروتون را توضیح می‌دهد.

چندین بحث دیگر نیز مطرح شدند. کلود بورلی و همکارانش در فرانسه مدل آماری را توسعه دادند، که ذرات داخلی پروتون را به گونه‌ای در نظر می‌گیرد که انگار مولکول‌های گاز در یک اتاق هستند، که در مورد توزیع سرعت‌هایی است که بستگی به این دارد که آیا آن‌ها دارای مقدار صحیح یا نیمه صحیح از اندازه حرکت زاویه‌ای هستند. هنگامی که این مدل برای برازش داده‌های حاصل از آزمایش‌ها متعدد پراکندگی تنظیم شد، مقدار اضافی آنتی کوارک را پیش‌بینی کرد.

شاید مطالعه مقاله کشف اتفاقی موجوداتی عجیب و غریب، نیم مایل زیر سطح یخ برای شما جذاب باشد.

مدل‌ها پیش‌بینی‌های یکسانی نداشتند. بخش اعظم جرم کل پروتون از انرژی تک‌تک ذراتی که وارد و خارج از دریای پروتون می‌شوند، ناشی می‌شود، و این ذرات طیف وسیعی از انرژی‌ها را حمل می‌کنند. مدل‌ها پیش‌بینی‌های مختلفی را برای اینکه چگونه نسبت پادکوارک‌های پایین و بالا باید تغییر کند وقتی که شما پادکوارک‌هایی را که انرژی بیشتری حمل می‌کنند در نظر می‌گیرید. فیزیکدانان یک مقدار مرتبط به نام کسر حرکت آنتی کوارک را اندازه‌گیری می‌کنند.

هنگامی که آزمایش NuSea در Fermilab نسبت پایین به بالا را به عنوان تابعی از نیروی حرکت ضد‌کوارک در سال ۱۹۹۹ اندازه گرفت، پاسخ آن‌ها «همه را روشن کرد». داده‌ها نشان می‌دهند که در میان ضدکوارک‌هایی با اندازه حرکت زیاد - در واقع، بسیار زیاد، که در انتهای بازه تشخیص دستگاه قرار داشتند، ضدکوارک‌هایی که در حال بالا رفتن بودند، ناگهان نسبت به فراز و نشیب‌ها شایع‌تر شدند. آلبرگ گفت: «همه می‌گفتند: یک دقیقه صبر کن.» چرا وقتی آن پادکوارک‌ها سهم بزرگ‌تری از اندازه حرکت را به دست می‌آورند، این منحنی باید شروع به تغییر کند؟

همانطور که نظریه‌پردازان سر خود را می‌مالیدند، گزمان و ریمر، که بر روی NuSea کار می‌کردند و می‌دانستند که داده‌های روی لبه گاهی قابل‌اعتماد نیستند، به دنبال آزمایشی بودند که به راحتی بتواند محدوده حرکت ضد‌کوارک بزرگ‌تری را کشف کند. اسمش را سی کوئست گذاشته بودند.

تولید مثل اضافی

سوالات طولانی در مورد پروتون اما پول نقد کم، آن‌ها شروع به جمع‌آوری آزمایش از قطعات مورد استفاده کردند. ریمر گفت: «شعار ما کاهش، استفاده مجدد، بازیافت بود.»

آن‌ها چند جرقه‌زن قدیمی از یک آزمایشگاه در هامبورگ، آشکارسازهای ذره‌ای باقی مانده از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، و دال‌های آهن مسدود کننده تشعشع که برای اولین بار در یک سیکلوترون در دانشگاه کلمبیا در دهه ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفتند، اختیار کردند. آن‌ها می‌توانستند آهن‌ربا در اندازه اتاق NuSea را دوباره بسازند، و آزمایش جدید خود را با استفاده از شتاب‌دهنده پروتون موجود Fermilab انجام دهند. مجموعه فرانکنشتاین عاری از لطف و زیبایی نبود. «براون» که به پیدا کردن تمام قطعات کمک کرد، گفت: صدای بوق نشان می‌دهد که چه زمانی پروتون‌ها به داخل دستگاه خود در حال حرکت بودند، تاریخ آن‌ها به پنج دهه قبل برمی‌گردد. «وقتی این اتفاق می‌افتد، احساس گرمی در شکم شما ایجاد می‌کند.»

آن‌ها به تدریج آن را به کار گرفتند. در آزمایش، پروتون‌ها به دو هدف برخورد می‌کنند: یک شیشه هیدروژن، که اساسا پروتون‌ها هستند، و یک شیشه از اتم‌های دوتریوم با یک پروتون و یک نوترون در هسته.

وقتی یک پروتون به هر دو هدف برخورد می‌کند، یکی از کوارک‌های ظرفیت آن گاهی اوقات با یکی از پادکوارک‌ها در پروتون یا نوترون هدف از بین می‌رود. ریمر گفت: «وقتی نابودی رخ می‌دهد، امضای منحصر به فردی دارد.» این ذرات همراه با دیگر «اضافات» تولید شده در برخورد، سپس با آن دال‌های آهن قدیمی برخورد می‌کنند. او گفت: «مون‌ها می‌توانند عبور کنند؛ هر چیز دیگری متوقف می‌شود.» با شناسایی مون‌ها در طرف دیگر و بازسازی مسیرها و سرعت‌های اصلی آن‌ها، «می‌توانید به عقب برگردید تا ببینید چه مقدار نیروی جنبشی حمل می‌کند.»

از آنجا که پروتون‌ها و نوترون‌ها یکدیگر را منعکس می‌کنند - هر کدام دارای ذرات نوع بالا به جای ذرات نوع پایین دیگری هستند، و بالعکس - مقایسه داده‌های دو ویال به طور مستقیم نشان‌دهنده نسبت پادکوارک‌ها به پادکوارک‌ها در پروتون-، یعنی بعد از ۲۰ سال کار است.

ممکن است مطالعه مقاله فیزیک کوانتوم و جهش DNA انسان‌ها برای شما جالب باشد.

در سال ۲۰۱۹، Alberg و Miller آنچه را که SeaQuest باید براساس ایده ابر پیون مشاهده کند، محاسبه کردند. پیش‌بینی آن‌ها با داده‌های جدید SeaQuest مطابقت دارد.

داده‌های جدید - که یک افزایش تدریجی را نشان می‌دهد، سپس نسبت پایین به بالا را نشان می‌دهد، نه یک برگشت ناگهانی-همچنین با بورس و مدل آماری انعطاف‌پذیرتر شرکت موافق است. با این حال، میلر این مدل رقیب را «توصیفی، به جای پیش‌بینی» می‌نامد، زیرا این مدل به جای شناسایی یک مکانیزم فیزیکی در پس مازاد ضدکوارک، برای تطبیق با داده‌ها تنظیم شده‌است. در مقابل، «چیزی که من واقعا به آن افتخار می‌کنم در محاسبات ما این است که این یک پیش‌بینی واقعی بود.» «ما هیچ کدام از پارامترها را شماره‌گیری نکردیم.»

در یک ایمیل، بورلی استدلال کرد که «مدل آماری قوی‌تر از مدل آلمانی و میلر است»، زیرا برای آزمایش‌ها پراکندگی که در آن ذرات هر دو قطبی هستند و نیستند، در نظر گرفته می‌شود. میلر به شدت مخالفت کرد و اشاره کرد که ابرهای پیون نه تنها محتوای پادماده پروتون را توضیح می‌دهند، بلکه ممان‌های مغناطیسی ذرات مختلف، توزیع بار و زمان‌های فروپاشی، و همچنین «اتصال و بنابراین وجود همه هسته‌ها» را توضیح می‌دهند. او افزود که مکانیزم پیون «در مفهوم گسترده‌ای که چرا هسته‌ها وجود دارند، چرا ما وجود داریم، مهم است.»

در تلاش نهایی برای درک پروتون، فاکتور تصمیم‌گیری ممکن است چرخش آن، یا تکانه زاویه‌ای ذاتی آن باشد. یک آزمایش پراکندگی میون در اواخر دهه ۱۹۸۰ نشان داد که اسپین‌های سه کوارک‌های ظرفیت پروتون بیش از ۳۰٪ کل اسپین پروتون را تشکیل نمی‌دهند. «بحران چرخش پروتون» عبارت است از: چه چیزی ۷۰٪ دیگر را تشکیل می‌دهد؟ براون تایمر قدیمی Fermilab،گفت که یک‌بار دیگر، «چیز دیگری باید در جریان باشد.»

در فرمیناب، و در نهایت در آزمایشگاه ملی بروکهون برای الکترون-ایون کولدر برنامه‌ریزی‌شده، آزمایشگران چرخش دریای پروتون را بررسی خواهند کرد. در حال حاضر، Alberg و Miller در حال کار بر روی محاسبات «ابر مسون» کامل پروتون‌های اطراف هستند، که شامل، همراه با پین‌ها، Rrer « rho mesons است.» پین‌ها تاب نمی‌خورند، اما مزون‌ها تاب می‌خورند، بنابراین آن‌ها باید به چرخش کلی پروتون به روشی که Alberg و Miller امیدوارند تعیین کنند، کمک کنند.

براون گفت که آزمایش اسپینکوست فرمیباب که شامل بسیاری از افراد و بخش‌های مشابه با SeaQuest است، «تقریبا آماده است.» او گفت: ما با شانسی بالا در بهار امسال اطلاعات کسب خواهیم کرد؛ این کار حداقل تا حدودی به پیشرفت واکسن علیه ویروس بستگی خواهد داشت. به نوعی جالب است که سوالی که در داخل هسته وجود دارد به واکنش این کشور به ویروس COVID بستگی دارد. ما همه به هم متصل هستیم، مگر نه؟

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله شیمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.