Es scheint, dass der Massenradius des Protons kürzer ist als der Radius der Ladung – Ars Technica

Wenn Sie fragen, wie viel ein Gegenstand wie ein Fahrrad wiegt, gibt es eine einfache Antwort. Wenn Sie jedoch fragen, wo die Masse des Fahrrads liegt, wird die Sache etwas komplizierter. Ein Fahrrad hat viele Teile – von denen sich einige bewegen – die alle unterschiedliche Größen, Formen und Dichten haben, sodass seine Masse unregelmäßig um seine Form herum verteilt ist.

Das ist gewissermaßen analog zu der Frage, wo die Masse eines Protons ist. Ein Proton ist eine Ansammlung von Quarks und Gluonen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit um einen zentralen Punkt bewegen. Es wäre schwer zu sagen, wo seine Gruppenlebensdauer wäre, auch ohne die Tatsache, dass die Analogie mit Fahrrädern aufgrund einer peinlichen Tatsache vollständig zusammenbricht: Ein Proton wiegt viel mehr als seine konstituierenden Quarks, und die Gluonen, die die Quarks zusammenhalten, sind masselos. Tatsächlich ist die Masse der beteiligten Teilchen ziemlich irrelevant. „Wenn Sie Berechnungen anstellen, bei denen Sie die Masse des Quarks auf Null setzen, ist ein Proton ziemlich dasselbe“, sagte der Physiker Sylvester Johannes Josten gegenüber Ars.

Stattdessen kommt ein Großteil der Masse eines Protons von der unglaublich hohen Energiedichte, die durch die starken Kraftwechselwirkungen der Gluonen erzeugt wird. Um also die Masse eines Protons zu verstehen, müssen wir verstehen, was Gluonen zu tun haben. Was, da es masselos ist und keine Ladung hat, äußerst schwierig ist. Aber einige experimentelle Arbeiten haben einen Wert für den Massenradius des Protons geschaffen, der die Massenverteilung innerhalb des Teilchens beschreibt. Und es stellt sich heraus, dass sich der Wert erheblich vom Ladungsradius des Protons unterscheidet.

Einatmen von Gluonen

Gluonen ohne Masse oder Ladung sind sehr schwer nachzuweisen; Wir schließen hauptsächlich aus den Trümmern, die sie bei Partikelkollisionen erzeugen, wo sie sich befinden müssen. Bis zu einem gewissen Grad können wir ihr Verhalten modellieren, aber dies wird hauptsächlich durch die Quantenchromodynamik beschrieben, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, massive Rechenressourcen in die Knie zu zwingen. Selbst unsere besten Modelle des Gluonenverhaltens sind also Annäherungen.

Wenn die Masse eines Protons hauptsächlich von seinen Gluonen abhängt und wir nicht wissen können, was die Gluonen tun, wie können wir dann wissen, was vor sich geht?

Der Trick bestand darin, einen Prozess zu identifizieren, der nachweisbar, aber empfindlich auf das Vorhandensein von Gluonen reagieren würde. Dieser Prozess ist die Umwandlung von Energie (in Form von Licht) in Materie. Insbesondere kann ein Photon mit ausreichender Energie in ein sogenanntes J/Meson umgewandelt werden, das aus einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark besteht, und zwar durch einen heiklen Prozess, bei dem Gluonen in nahe gelegene Protonen umgewandelt werden. Durch die Messung der Produktion von J/Mesonen ist es möglich, sogenannte Gravitationsformfaktoren von Gluonen zu bestimmen, die beschreiben, wo sich die Masse in einem Proton befindet.

Wie das geht, ist fast so komplex wie die Prozessbeschreibung im obigen Absatz. Es beginnt mit einem Strahl hochenergetischer Elektronen, die an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility erzeugt werden. Diese Elektronen werden dann in einem Prozess mit einem sehr technischen Namen quer zu ihrer Bewegungsrichtung hin und her bewegt: wackeln. Dadurch verlieren sie Energie, die sie in Form hochenergetischer Photonen freisetzen.

Diese Photonen werden dann durch eine Kammer geschickt, die einen Behälter mit flüssigem Wasserstoff enthält. Beim Durchqueren des Beckens werden einige Photonen in J/Mesonen umgewandelt, die sofort zerfallen. Zwei Produkte dieses Zerfalls sind das Elektron und das Positron, die von Detektoren eingefangen werden können, wodurch die Produktion von J/Mesonen aufgezeichnet werden kann. Basierend auf diesen Entdeckungen ist es möglich, die Formfaktoren der Gluonengravitation nachzuarbeiten und herauszufinden.

(Beachten Sie, dass ich nicht einmal versuche, eine Analogie für die Gravitationsformfaktoren von Gluonen zu finden, die Ihnen helfen würde, sie zu verstehen. Sie werden in der Arbeit als „Matrixelemente des Energie-Impuls-Tensors eines Protons“ beschrieben und codieren die mechanischen Eigenschaften des Protons, während der Anomalieeffekt des Energie-Impuls-Tensors laut Quantenchromodynamik eine Hauptkomponente des Massenursprungs ist.“ Sie müssen nur allen Beteiligten vertrauen, dass es sich um eine Terminologie handelt, die hilft, die Beziehung zwischen Gluonen und Masse zu beschreiben. )

Hier und da

Mit den verfügbaren Daten war alles, was die Forscher brauchten, ein Modell des Verhaltens von Gluonen, um ihre Ergebnisse mit dem in Beziehung zu setzen, was im Inneren des Protons vor sich geht. Unglücklicherweise haben Physiker mehrere verschiedene Modelle erstellt, wiederum weil die direkte Berechnung von irgendetwas, das mit der Quantenchromodynamik zu tun hat, auf aktueller Hardware nahezu unmöglich ist. Die verfügbaren Modelle sind also meist alternative Möglichkeiten, Näherungen zu machen, die es Computern ermöglichen, etwas Nützliches zu produzieren.

Zum größten Teil ergaben verschiedene Schätzungen ziemlich ähnliche Antworten, obwohl die Dinge mit Photonen mit niedrigerer Energie etwas schlechter wurden, die kaum genug Energie haben, um sich in etwas mit J / m-Masse umzuwandeln. Unterschiedliche Ansätze liefern jedoch eine grobe Einigung darüber, wo sich die Masse des Protons und damit der Massenradius des Protons befindet.

Das Erstaunliche an dem Ergebnis ist, dass es sich vom Ladungsradius eines Protons unterscheidet. Obwohl es einige Unterschiede zwischen den verschiedenen Methoden zur Messung des Radius einer Ladung gibt, sind die Unterschiede relativ gering. Und alle Messungen unterscheiden den Ladungsradius vom Massenradius. Da die Ladung ein Produkt der Quarks ist, deutet dies darauf hin, dass diese Teilchen regelmäßig außerhalb des Bereichs kreisen, der von Gluonen frequentiert wird, die damit beschäftigt sind, das gesamte Proton zusammenzuhalten.

Aber Justine sagte, es gebe Hinweise darauf, dass die Situation komplizierter sei. Die Reaktionen, die J-Mesonen bildeten, erforderten den Austausch von Gluonen, deren Spins ausgerichtet waren. Es ist auch möglich, Gluonen mit entgegengesetztem Spin auszutauschen, was als skalare Wechselwirkung bezeichnet wird. Und es gibt einige Hinweise darauf, dass der Standardradius auch anders ist.

„Du solltest damit rechnen, einige Standardradien zu sehen“, sagte Justin. „Wir sehen etwas Riesiges. Es ist viel größer – wie dieser große Heiligenschein, der das Proton umgibt.“

Ein Vorbehalt hier ist, dass Joosten sagte, die Ergebnisse seien sehr vorläufig: „Das haben wir nicht gefunden, das möchten wir in zukünftigen Studien untersuchen.“ Das andere ist, dass seine Verwendung des Begriffs „riesig“ relativ ist; All dies geschieht innerhalb eines subatomaren Teilchens.

Aber wenn die Ergebnisse Bestand haben, weisen sie darauf hin, dass ein Proton mindestens drei unterschiedliche Radien hat – Ladung, Masse und Stärke – und dass sie alle unterschiedlich lang sind.

Und hier könnte die Fahrradanalogie wieder Sinn machen. Schließlich erwartet man nicht, dass der Schwerpunkt eines Fahrrads an der gleichen Stelle liegt wie seine Pedale oder wo die Lenkung erfolgt. Obwohl es sich um einen einzelnen Organismus handelt, bedeutet seine zusammengesetzte Natur, dass diese verschiedenen Aspekte seines Verhaltens nicht unbedingt lokal gemeinsam sind. Dasselbe scheint für das Proton zu gelten.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4 (über DOIs).