Neutronensterren behoren tot de dichtst bekende objecten in het heelal, bestand tegen een druk die zo groot is dat een theelepel van het materiaal van een ster ongeveer 15 keer het gewicht van de maan zou zijn. Maar toch, zoals blijkt, protonen - de fundamentele deeltjes die het grootste deel van de zichtbare materie in het universum vormen - bevatten een nog hogere druk.

Voor de eerste keer, MIT-natuurkundigen hebben de drukverdeling van een proton berekend, en ontdekte dat het deeltje een onder hoge druk staande kern bevat die, op zijn meest intense punt, genereert een grotere druk dan in een neutronenster wordt aangetroffen.

Deze kern duwt uit het centrum van het proton, terwijl de omliggende regio naar binnen duwt. (Stel je een honkbal voor die probeert uit te zetten in een voetbal die instort.) De concurrerende druk werkt om de algehele structuur van het proton te stabiliseren.

De resultaten van de fysici, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , vertegenwoordigen de eerste keer dat wetenschappers de drukverdeling van een proton hebben berekend door rekening te houden met de bijdragen van zowel quarks als gluonen, de basis van het proton, subnucleaire bestanddelen.

"Druk is een fundamenteel aspect van het proton waar we op dit moment heel weinig over weten, " zegt hoofdauteur Phiala Shanahan, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Nu hebben we ontdekt dat quarks en gluonen in het centrum van het proton een aanzienlijke uitwaartse druk genereren, en verder naar de randen, er is een beperkende druk. Met dit resultaat, we rijden naar een compleet beeld van de structuur van het proton."

Shanahan voerde het onderzoek uit met co-auteur William Detmold, universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT.

Opmerkelijke quarks

In mei 2018, natuurkundigen van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse Department of Energy kondigden aan dat ze voor het eerst de drukverdeling van het proton hadden gemeten, met behulp van een elektronenstraal die ze afvuurden op een doel gemaakt van waterstof. De elektronen interageerden met quarks in de protonen in het doelwit. De natuurkundigen bepaalden vervolgens de drukverdeling door het proton, gebaseerd op de manier waarop de elektronen van het doelwit werden verstrooid. Hun resultaten toonden een hogedrukcentrum in het proton dat op het punt van de hoogste druk ongeveer 10 . meette ³⁵ pascal, of 10 keer de druk in een neutronenster.

Echter, Shanahan zegt dat hun beeld van de protondruk onvolledig was.

"Ze vonden een vrij opmerkelijk resultaat, ', zegt Shanahan. 'Maar dat resultaat was onderhevig aan een aantal belangrijke aannames die nodig waren vanwege ons onvolledige begrip.'

specifiek, de onderzoekers baseerden hun drukschattingen op de interacties van de quarks van een proton, maar niet zijn gluonen. Protonen bestaan ​​uit zowel quarks als gluonen, die continu op een dynamische en fluctuerende manier interageren in het proton. Het Jefferson Lab-team was alleen in staat om de bijdragen van quarks te bepalen met zijn detector, waarvan Shanahan zegt dat een groot deel van de drukbijdrage van een proton wordt weggelaten.

"In de afgelopen 60 jaar we hebben een behoorlijk goed begrip opgebouwd van de rol van quarks in de structuur van het proton, "zegt ze. "Maar de gluonstructuur is ver, veel moeilijker te begrijpen omdat het notoir moeilijk te meten of te berekenen is."

Een gluonverschuiving

In plaats van de druk van een proton te meten met behulp van deeltjesversnellers, Shanahan en Detmold wilden de rol van gluonen opnemen door supercomputers te gebruiken om de interacties te berekenen tussen quarks en gluonen die bijdragen aan de druk van een proton.

"Binnen een proton, er is een borrelend kwantumvacuüm van paren quarks en antiquarks, evenals gluonen, verschijnen en verdwijnen, " zegt Shanahan. "Onze berekeningen omvatten al deze dynamische fluctuaties."

Om dit te doen, het team gebruikte een techniek in de natuurkunde die bekend staat als rooster QCD, voor kwantumchromodynamica, wat een reeks vergelijkingen is die de sterke kracht beschrijft, een van de drie fundamentele krachten van het standaardmodel van de deeltjesfysica. (De andere twee zijn de zwakke en elektromagnetische kracht.) De sterke kracht is wat quarks en gluonen bindt om uiteindelijk een proton te maken.

Lattice QCD-berekeningen gebruiken een vierdimensionaal raster, of rooster, van punten om de drie dimensies van ruimte en één van tijd weer te geven. De onderzoekers berekenden de druk in het proton met behulp van de vergelijkingen van Quantum Chromodynamics die op het rooster zijn gedefinieerd.

"Het is enorm rekenkundig veeleisend, dus we gebruiken de krachtigste supercomputers ter wereld om deze berekeningen te doen, ' legt Shanahan uit.

Het team bracht ongeveer 18 maanden door met het uitvoeren van verschillende configuraties van quarks en gluonen via verschillende supercomputers, vervolgens de gemiddelde druk bepaald op elk punt vanaf het centrum van het proton, naar zijn rand.

Vergeleken met de resultaten van Jefferson Lab, Shanahan en Detmold ontdekten dat, door de bijdrage van gluonen op te nemen, de drukverdeling in het proton aanzienlijk verschoven.

"We hebben voor het eerst gekeken naar de bijdrage van gluon aan de drukverdeling, en we kunnen echt zien dat ten opzichte van de vorige resultaten de piek sterker is geworden, en de drukverdeling strekt zich verder uit van het centrum van het proton, ' zegt Shanahan.

Met andere woorden, het blijkt dat de hoogste druk in het proton rond de 10 . ligt ³⁵ pascal, of 10 keer die van een neutronenster, vergelijkbaar met wat onderzoekers van Jefferson Lab meldden. Het omringende lagedrukgebied strekt zich verder uit dan eerder werd ingeschat.

Om deze nieuwe berekeningen te bevestigen, zijn veel krachtigere detectoren nodig, zoals de Electron-Ion Collider, een voorgestelde deeltjesversneller die natuurkundigen willen gebruiken om de interne structuren van protonen en neutronen te onderzoeken, gedetailleerder dan ooit tevoren, inclusief gluonen.

"We bevinden ons in de begindagen van het kwantitatief begrijpen van de rol van gluonen in een proton, " zegt Shanahan. "Door de experimenteel gemeten quarkbijdrage te combineren, met onze nieuwe berekening van het gluon stuk, we hebben het eerste volledige beeld van de druk van het proton, dat is een voorspelling die de komende 10 jaar bij de nieuwe botser kan worden getest."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.