Volkeris Burkertas su kolegomis Thomaso Jeffersono nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje „Newport News“ pirmą kartą atliko sąlygų protono viduje matavimus. Ir tai nebuvo paprasta. Protonai sudaryti iš trijų fundamentaliųjų dalelių, kvarkų, kuriuos drauge laiko stipriąją branduolinę sąveiką perduodančios dalelės gliuonai. Tyrinėdami tokius mažus objektus, Burkertas ir jo komanda protonus apšaudė elektronų srautu.
Volkeris Burkertas su kolegomis Thomaso Jeffersono nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje „Newport News“ pirmą kartą atliko sąlygų protono viduje matavimus. Ir tai nebuvo paprasta.
Protonai sudaryti iš trijų fundamentaliųjų dalelių, kvarkų, kuriuos drauge laiko stipriąją branduolinę sąveiką perduodančios dalelės gliuonai. Tyrinėdami tokius mažus objektus, Burkertas ir jo komanda protonus apšaudė elektronų srautu. Didele energija nešinas elektronas elgiasi kaip šviesos dalelė, fotonas ir perduoda energiją vienam iš kvarkų.
Elektronui atšokus nuo kvarko, atatranką pajunta visas protonas ir kvarkas išspinduliuoja kitą didelės energijos fotoną.
Matuodami elektrono, protono ir fotono judėjimą po susidūrimo – be visa kita, impulsus ir kampus po susidūrimo – tyrėjai sugebėjo sudaryti kvarkų protono viduje 3D vaizdalapį.
Apsimestinė gravitacija
Bet šis vaizdalapis apie jėgas protone nieko tiesiogiai nesako. Norint tai išmatuoti, reikėtų teorinės dalelės gravitono – graviacinės sąveikos pernešėjo – bet jis kol kas nėra aptiktas. Tad, tenka griebtis miklumo.
Dviejų fotonų informaciją galima apjungti, taip pamėgdžiojant teikiamą gravitono. Du fotonai – sugertas eksperimento pradžioje ir vėliau išspinduliuotas – sistemą zonduoja taip, lyg būtų vienas gravitonas, paaiškino Burkertas.
Taip galima išgauti tą pačią informaciją, nenaudojant tiesioginio gravitacinio zondavimo. „Dabar iš tiesų galime zonduoti protono šerdį“, – sako bendradarbė Latifa Elouadrhiri.
Ten tyrėjai nustatė ~1035 paskalių slėgį – tai 10 kartų daugiau, nei slėgis neutroninės žvaigždės, tankiausio žinomo Visatos objekto, viduje. Šis tankis atsiranda iš ekstremalaus slėgio. Bet protonai atlaiko dar daugiau.
Kvarkai protono centre spaudžiami draugėn ir didžiule jėga stengiasi ištrūkti. Protono pakraščiuose komanda irgi nustatė sulaikantį slėgį, kurį tikriausiai kuria kvarkus laikantys gliuonai. Tai – gerai, nes antraip protonai sprogtų, o dabar gyvena ilgai ir laimingai.
Moksliškesnė versija
Nacionalinės T. Jeffersono laboratorijos mokslininkai, panaudodami virtualų Komptono išsklaidymą, „nuskenavo“ protono vidų ir remdamiesi šiais duomenimis, apskaičiavo partonų pasiskirstymo funkciją ir vieną iš trijų gravitacinių formfaktorių, o taip pat įvertino slėgį dalelės viduje. Paaiškėjo, kad slėgis protono viduje siekia 1035 paskalių, kas viršija slėgį paties tankiausio Visatos objekto – neutroninės žvaigždės – viduje. Straipsnis publikuotas „Nature“ žurnale.
Protonai yra sudėtinė atomo branduolio dalis ir sudaro didžiąją dalį mums įprastos materijos, tačiau patys jie nėra elementariosios dalelės.Kiekvienas protonas sudarytas iš smulkesnių dalelių (kvarkų), kuriuos riša stipriąją sąveiką perduodantys (gliuonai). Kai energija didelė, ir kvarkai ir gliuonai elgiasi kaip atskiros dalelės (partonai ) — kitaip tariant, jeigu protoną įgreitinsime iki beveik šviesos greičio ir sudaušim su elektronu, paaiškės, kad elektronai nuo protono išsisklaido ne kaip nuo vienos „vientisos“ dalelės, o sąveikauja su kiekvienu partonu atskirai.
Tačiau kvarkai negali egzistuoti kaip laisvos dalelės, jie būtinai susiburia į hadronus (protonas irgi yra vienas iš hadronų) dėl spalvos konfainmento. Paprasčiau tariant, kvarkus hadrono viduje galima įsivaizduoti kaip kamuoliukus, surištus gijomis (ar vamzdeliais), kuriuose sutelktas pagrindinis stipriosios sąveikos srautas. Kai kvarkai vienas nuo kito pakankamai nutolsta, gija trūksta ir trūkio vietoje susidaro kvarko-antikvarko pora, iš karto susirišanti su pradinėmis dalelėmis. Tuo tarpu, kuo kvarkai arčiau vienas kito, tuo silpniau jie sąveikauja dėl asimptotinės laisvės. Ši savybę skiria stipriąją sąveiką nuo visų kitų fundamentaliųjų sąveikų, kurios, mažėjant atstumui, tik stiprėja.
Norėdami „skenuoti“ vidinę protono struktūrą, fizikai sudaužia juos su kitomis įgreitintomis dalelėmis, matuoja jų išsisklaidymo laipsnį ir impulsus, o taip pat sąveikos skerspjūvius. Tam patogiausia naudoti giliai virtualų Komptono išsklaidymą (deeply virtual Compton scattering, DVCS). Įprasta Komptono sklaida — tiesiog šviesos atspindėjimas, tai yra, standi fotonų sklaida nuo dalelės. Proceso standumas reiškia, kad bendra veikiančių dalelių kinetinė energija išlieka pastovi. Vykstant tokiam procesui, protonas elgiasi vientisa esybė, nes fotono energijos nepakanka įsiskverbti jo vidun. Tačiau atliekant DVCS, vietoje įprastų fotonų naudojami virtualūs fotonai, atsirandantys iš sąveikos su į protoną lekiančiu didelės energijos elektronu. Tokio fotono energija būna labai didelė, ir sklaidydamasis jis „apčiuopia“ atskirus kvarkus, o paskui virsta įprastu fotonu. Toks procesas vyksta nedažnai, bet kadangi susidūrimų labai daug, reikiamą statistiką galima surinkti . Anksčiau fizikai jau panaudojo DVCS, tyrinėdami vidinę protono struktūrą.
