In elk proton in elk atoom in het universum bevindt zich een snelkookpanomgeving die het atoomverpletterende hart van een neutronenster overtreft. Dat is volgens de eerste meting van een mechanische eigenschap van subatomaire deeltjes, de drukverdeling binnen het proton, die werd uitgevoerd door wetenschappers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy.

De kernfysici ontdekten dat de bouwstenen van het proton, de quarks, worden onderworpen aan een druk van 100 decillion Pascal (10 ³⁵ ) nabij het centrum van een proton, die ongeveer 10 keer groter is dan de druk in het hart van een neutronenster. Het resultaat is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"We vonden een extreem hoge naar buiten gerichte druk vanuit het centrum van het proton, en een veel lagere en meer naar binnen gerichte druk nabij de periferie van het proton, " legt Volker Burkert uit, Jefferson Lab Hall B Leader en een co-auteur van het papier.

Burkert zegt dat de drukverdeling in het proton wordt bepaald door de sterke kracht, de kracht die drie quarks samenbindt om een ​​proton te maken.

"Onze resultaten werpen ook licht op de verdeling van de sterke kracht in het proton, " zei hij. "We bieden een manier om de grootte en verdeling van de sterke kracht in het proton te visualiseren. Dit opent een geheel nieuwe richting in de kern- en deeltjesfysica die in de toekomst kan worden verkend."

Ooit gedacht dat het onmogelijk te verkrijgen was, deze meting is het resultaat van een slimme koppeling van twee theoretische kaders met bestaande data.

Eerst, er zijn de gegeneraliseerde partonverdelingen. Met GPD's kunnen onderzoekers een 3D-beeld maken van de structuur van het proton zoals onderzocht door de elektromagnetische kracht. De tweede zijn de zwaartekrachtvormfactoren van het proton. Deze vormfactoren beschrijven wat de mechanische structuur van het proton zou zijn als onderzoekers het proton via de zwaartekracht zouden kunnen onderzoeken.

De theoreticus die in 1966 het concept van zwaartekrachtvormfactoren ontwikkelde, Heinz Pagels, beroemd opgemerkt in de krant waarin ze gedetailleerd werden beschreven dat er "heel weinig hoop was om iets te leren over de gedetailleerde mechanische structuur van een deeltje, vanwege de extreme zwakte van de zwaartekrachtinteractie."

Recent theoretisch werk, echter, heeft GPD's verbonden met de zwaartekrachtvormfactoren, waardoor de resultaten van elektromagnetische sondes van protonen de zwaartekrachtsondes kunnen vervangen.

"Dit is het mooie ervan. Je hebt deze kaart waarvan je denkt dat je die nooit zult krijgen, " zei Latifa Elouadrhiri, een stafwetenschapper van Jefferson Lab en co-auteur van het papier. "Maar hier zijn we, vullen met deze elektromagnetische sonde."

De elektromagnetische sonde bestaat uit elektronenstralen die worden geproduceerd door de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Deze elektronen worden naar de kernen van atomen geleid, waar ze elektromagnetisch interageren met de quarks in protonen via een proces dat diep virtuele Compton-verstrooiing wordt genoemd.

In het DVCS-proces, een elektron gaat een proton binnen en wisselt een virtueel foton uit met een quark, energie overbrengen naar de quark en het proton. Een korte tijd later, het proton geeft deze energie vrij door een ander foton uit te zenden en gaat intact verder. Dit proces is analoog aan de berekeningen die Pagels heeft uitgevoerd voor hoe het mogelijk zou zijn om het proton zwaartekracht te onderzoeken via een hypothetische straal van gravitonen. De onderzoekers van het Jefferson Lab waren in staat om een ​​overeenkomst tussen de bekende elektromagnetische en hypothetische zwaartekrachtstudies uit te buiten om hun resultaat te krijgen.

"Er komt een foton binnen en een foton komt eruit. En het paar fotonen is allebei spin-1. Dat geeft ons dezelfde informatie als het uitwisselen van één gravitondeeltje met spin-2. " zegt François-Xavier Girod, een stafwetenschapper van Jefferson Lab en co-auteur van het papier. "Dus nu, men kan in principe hetzelfde doen als wat we hebben gedaan bij elektromagnetische processen, maar met betrekking tot de zwaartekrachtvormfactoren, die de mechanische structuur van het proton vertegenwoordigen."

De onderzoekers zeggen dat de volgende stap is om de techniek toe te passen op nog nauwkeurigere gegevens die binnenkort beschikbaar zullen zijn om de onzekerheden in de huidige analyse te verminderen en te beginnen met het onthullen van andere mechanische eigenschappen van het alomtegenwoordige proton, zoals de interne schuifkrachten en de mechanische straal van het proton.