گرانش به نشان دادن نیروی قوی در پروتون کمک می کند

نیروی گرانش در جهان مرئی ما گسترده است. می توان آن را در قفل قمرها در حین چرخش آنها به دور سیارات مشاهده کرد. در دنباله‌دارهای سرگردانی که توسط ستاره‌های عظیم از مسیر خارج شده‌اند. و در گرداب کهکشان های غول پیکر. این نمایشگرهای شگفت انگیز تأثیر گرانش را بر بزرگترین مقیاس های ماده نشان می دهند. اکنون فیزیکدانان هسته ای در حال کشف هستند که گرانش حتی در کوچکترین مقیاس های ماده چیزهای زیادی برای ارائه دارد.

تحقیقات جدید انجام شده توسط فیزیکدانان هسته ای در تأسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده از روشی استفاده کرد که نظریه های گرانش را با برهمکنش بین کوچکترین ذرات ماده پیوند می دهد تا جزئیات جدیدی را در این مقیاس کوچکتر آشکار کند. این تحقیق برای اولین بار تصویری از توزیع نیروی قوی در داخل پروتون را نشان داد. این عکس فوری تنش برشی را که این نیرو می‌تواند بر ذرات کوارکی که پروتون را تشکیل می‌دهند اعمال کند، توضیح می‌دهد. نتیجه به تازگی در منتشر شده است بررسی فیزیک مدرن.

به گفته نویسنده اصلی این مطالعه، دانشمند اصلی آزمایشگاه جفرسون، فولکر برکرت، این اندازه گیری بینشی از محیط تجربه شده توسط بلوک های سازنده پروتون ارائه می دهد. پروتون ها از سه کوارک تشکیل شده اند که توسط آنها به هم متصل شده اند نیروی قوی.

بورکرت توضیح داد: «در اوج خود، بیش از چهار تن نیرویی است که باید به یک کوارک اعمال کرد تا آن را از پروتون بیرون بکشد». طبیعت، البته به ما اجازه نمی دهد که فقط یک کوارک را از پروتون جدا کنیم، زیرا کوارک ها دارای خاصیتی هستند که «رنگ» نامیده می شود. دارای سه رنگ است که کوارک ها را در پروتون مخلوط می کنند تا از بیرون بی رنگ به نظر برسد که لازمه وجود آن در فضا است.

تلاش برای حذف یک کوارک رنگی از پروتون، یک جفت کوارک/آنتی کوارک بی رنگ، یک مزون، با استفاده از انرژی که برای جدا کردن کوارک صرف می‌کنید، تولید می‌کند و یک پروتون (یا نوترون) بی‌رنگ را پشت سر می‌گذارد. بنابراین، 4-تون تصویری از قدرت نیرویی است که در پروتون وجود دارد.”

نتیجه تنها دومین خاصیت مکانیکی اندازه گیری شده پروتون است. خواص مکانیکی پروتون شامل فشار داخلی آن است توزیع انبوه (اندازه فیزیکی)، تکانه زاویه ای آن و آن تنش برشی. نتیجه با پیش‌بینی نیم قرن پیش و داده‌های دو دهه پیش ممکن شد.

در اواسط دهه 1960، این نظریه مطرح شد که اگر فیزیکدانان هسته‌ای بتوانند نحوه تعامل گرانش با ذرات زیراتمی مانند پروتون را ببینند، چنین آزمایش‌هایی می‌توانند مستقیماً خواص مکانیکی پروتون را آشکار کنند.

“اما در آن زمان هیچ راهی وجود نداشت. برای مثال، اگر گرانش را با نیروی الکترومغناطیسی مقایسه کنید، 39 مرتبه تفاوت وجود دارد – پس کاملاً ناامید کننده است، درست است؟” لطیفه الوادریری، دانشمند آزمایشگاه جفرسون و یکی از نویسندگان این مطالعه توضیح داد.

داده‌های چند دهه‌ای از آزمایش‌های انجام‌شده با تأسیسات شتاب‌دهنده پرتو الکترونی پیوسته (CEBAF) آزمایشگاه جفرسون، که یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE است، به دست می‌آیند. یک آزمایش معمولی CEBAF شامل برهمکنش الکترون پرانرژی با ذره ای دیگر از طریق مبادله یک بسته انرژی و یک واحد تکانه زاویه ای، به نام فوتون مجازی، با ذره است. انرژی الکترون دیکته می کند که با کدام ذرات از این طریق برهمکنش داشته باشد و چگونه واکنش نشان دهند.

در این آزمایش، نیرویی بسیار بیشتر از چهار تن مورد نیاز برای جدا کردن یک جفت کوارک/آنتی کوارک توسط پرتو الکترونی پرانرژی که با پروتون در یک هدف گاز هیدروژن مایع در تعامل است، به پروتون وارد شد.

ما برنامه تحقیقاتی پراکندگی کامپتون عمیق مجازی را توسعه دادیم. در اینجا شما یک الکترون دارید که یک فوتون مجازی را با پروتون مبادله می کند. و در حالت نهایی، پروتون ثابت می‌ماند، اما از بین می‌رود، و شما یک فوتون با انرژی بسیار بالا به اضافه الکترون پراکنده تولید می‌کنید. متوجه نمی‌شویم که جدا از تصویر سه‌بعدی که با این داده‌ها در نظر گرفته‌ایم، داده‌های مورد نیاز برای دسترسی به خواص مکانیکی پروتون را نیز جمع‌آوری می‌کنیم.”

به نظر می رسد که این فرآیند خاص – پراکندگی کامپتون مجازی عمیق (DVCS) – می تواند به نحوه تعامل گرانش با ماده مرتبط باشد. نسخه کلی این ارتباط در کتاب درسی نظریه نسبیت عام انیشتین در سال 1973 با عنوان گرانش توسط چارلز دبلیو میزنر، کیپ اس. تورن و جان آرچیبالد ویلر بیان شده است.

آنها در آن می نویسند: “هر میدان اسپین-2 بدون جرم نیرویی ایجاد می کند که از گرانش قابل تشخیص نیست، زیرا یک میدان اسپین-2 بدون جرم به همان روشی که برهمکنش های گرانشی انجام می دهند با تانسور تنش-انرژی جفت می شود.”

سه دهه بعد، نظریه پرداز ماکسیم پولیاکوف این ایده را با ایجاد مبنای نظری که فرآیند DVCS و تعامل گرانشی را به هم مرتبط می کند، ادامه داد.

“این پیشرفت در تئوری ارتباط بین اندازه گیری پراکندگی کامپتون مجازی عمیق و عامل شکل گرانشی را ایجاد کرد. و ما توانستیم برای اولین بار از آن استفاده کنیم و فشاری را که در آن انجام دادیم استخراج کنیم طبیعت برکرت توضیح داد که کاغذ در سال 2018، و اکنون نیروی نرمال و نیروی برشی.

شرح مفصل تری از اتصالات بین فرآیند DVCS و برهم کنش گرانشی را می توان یافت در این مقاله توصیف اولین نتیجه به دست آمده از این مطالعه.

محققان می گویند گام بعدی آنها کار بر روی استخراج اطلاعات لازم از داده های DVCS موجود است تا اولین تعیین اندازه مکانیکی پروتون را امکان پذیر کند. آنها همچنین امیدوارند که از آزمایش‌های جدیدتر، با آمار بالاتر و انرژی بالاتر که مطالعه DVCS در پروتون را ادامه می‌دهد، سود ببرند.

در همین حال، نویسندگان همکار این مطالعه از انبوه تلاش‌های نظری جدید، به تفصیل در صدها نشریه نظری، که شروع به استفاده از این مسیر تازه کشف‌شده برای مطالعه خواص مکانیکی پروتون کردند، شگفت‌زده شدند.

و همچنین، اکنون که ما در این دوره جدید اکتشاف هستیم برنامه بلند مدت علوم هسته ای 2023 اخیرا منتشر شده است. این یک ستون اصلی در جهت علم با امکانات جدید و پیشرفت های جدید آشکارساز خواهد بود. ما مشتاقانه منتظریم تا کارهای بیشتری را ببینیم که می توان انجام داد.

الوادریری موافق است.

و من فکر می‌کنم این فقط آغاز چیزی است که در آینده بزرگتر است. قبلاً طرز فکر ما در مورد ساختار را تغییر داده است پروتون،” او گفت.

بورکرت افزود: اکنون می‌توانیم ساختار ذرات زیر هسته‌ای را بر حسب نیروها، فشارها و ابعاد فیزیکی که غیرفیزیکدانان می‌توانند با آن ارتباط برقرار کنند، بیان کنیم.