Структурата на протона, субатомната частица, която е в основата на ядрото на атома, остава до голяма степен неизвестна. Въпреки че е известно, че масата на протона се формира не само от физическите му градивни елементи, точният произход на общата му маса остава загадка. В ново изследване учените може би са разкрили част от тази „скрита“ маса, показвайки, че протонът се оказва с различни размери в зависимост от това дали се интересувате от неговия заряд или маса.
Дълго време смятан за неделим, протонът може да бъде „разложен“ благодарение на съвременните ускорители на частици. Десетилетия експерименти с адронни колайдери показаха, че протонът се състои от три елементарни частици, включително два горни и един долен кварк. Установено е също така, че тези кварки са свързани помежду си с частици, наречени глуони. В предишно изследване учените предположиха, че протонът може да има четвърти елемент, наречен очарован кварк (charm Quark).
Въпреки че вече знаем много повече за кварките и разстоянията, на които се простират техните електрически полета, знаем много по-малко за глуоните. Трябва да се отбележи, че кварките в протона представляват само малка част от неговата маса. В допълнение към кварките и техните движения част от тази маса се дължи на глюоните или на енергията, която свързва кварките. Динамичните взаимодействия между кварките и глуоните също допринасят за образуването на общата маса на протона.
Тези различни взаимодействия обаче все още не са достатъчни, за да обяснят цялата маса. Според учените в новото изследване, публикувано в Nature, начинът, по който се разпределят глюоните, би могъл да даде ценни сведения за произхода на тази „скрита маса“. Провеждайки експерименти в опит да открият петия тип кварк, за който по-рано съобщиха учените от ЦЕРН, те откриват вместо това радиуса на масата на протона, генериран от силните глюонни взаимодействия.
По-конкретно, в новото си изследване изследователите са открили местоположението на материята, генерирана от гравитационното взаимодействие на глуоните, като са използвали ново измерване на техния радиус. Счита се, че радиусът на това ядро на материята се намира в центъра на протона и очевидно се различава от радиуса на неговия заряд. По този начин пространството, заемано от по-голямата част от масата на протона, ще бъде много по-малко, отколкото се смяташе досега. Важно е да се отбележи, че радиусът на заряда често се използва за измерване на приблизителния размер на протона.
„Радиусът на тази структура на масата е по-малък от радиуса на заряда, така че това ни дава известна представа за йерархията на масата във връзка със структурата на заряда на нуклона“, обяснява Марк Джоунс, изследовател от катедрата по експериментална ядрена физика в института „Джеферсън“ (САЩ) и съавтор на новото изследване.
Тази разлика във вътрешната структура може да има значение за изчисленията на другите свойства на протона, като спин, ъглов момент и разпределение на енергията. Потвърждаването на този структурен контраст ще доведе и до преразглеждане на всички експериментални протоколи на атомите.
Различен размер в зависимост от измерваната характеристика
При експериментите си изследователите са бомбардирали малък меден блок с високоенергийни електрони (10,6 милиарда електронволта) с помощта на ускорител на частици. След като се сблъскват с медното блокче, електроните се забавят и след това се отклоняват, излъчвайки фотони. Този генериран лъч от фотони след това попада в клъстер от протони в разтвор на течен водород. При сблъсъка се получава частица, наречена краткотраен мезон J/psi, всеки от които се състои от очарован кварк и антикварк. Веднъж образувани, мезоните бързо се разпадат на електрони и позитрони.
Оценявайки броя на произведените J/psi мезони, изследователите успяха да определят разпределението на масата на протона с помощта на квантовомеханични модели, измерващи глюонно-кварковите взаимодействия. След това бе установено, че масата на глюоните е ограничена до плътното ядро в центъра на протона. За разлика от тях зарядът на кварка се разпростира на по-голям радиус.
След това учените са се опитали да изследват теоретичните модели на измерване, като са оценили гравитационните фактори на глюона в протона (или механичните характеристики на протона, като неговата маса и налягане).
„Имаше две величини, наречени гравитационни форм-фактори, които успяхме да извлечем, защото имахме достъп до тези два модела: обобщен модел на разпределение на партоните и холографски модел на квантовата хромодинамика (QCD). И ние сравнихме резултатите от всеки от тези модели с изчисленията на решетъчната QCD“, обяснява Мезиани.
В резултат от тези сравнения изследователите установиха, че масовият радиус на глюоните, ограничен до центъра на протона, е доминиран от гравитоноподобни глюони, а по-големият радиус се състои от скаларни глюони и се простира извън пространството, заето от движението на кварките. По този начин, като се има предвид масата на протона, размерът му изглежда по-малък, отколкото при разглеждане на неговия заряд, тъй като по-голямата част от тази маса се съдържа в неговия център.
Да си припомним, че наскоро неутриното разкри и последната тайна на ядрения синтез в Слънцето. Това откритие потвърди теоретичните изчисления, че част от слънчевата енергия се създава от верижна реакция с участието на ядрата на въглерода и азота. Почти всичката енергия – около 99% на Слънцето се създава чрез така наречения протон-протонен цикъл. Този процес превръща четири протона в едно хелиево ядро, при което се освобождават две частици неутрино – най-леките от всички известни към днешен ден елементарни частици материя. Освен това, отделя се и огромно количество енергия, както и някои други субатомни частици.
Новото изследване в още по-голяма степен разкрива странния свят на елементарните частици.