Asymmetrie in het proton verwart natuurkundigen, maar een nieuwe ontdekking kan oude theorieën terugbrengen om het te verklaren.

Symmetrie - weergegeven in gebieden variërend van wiskunde en kunst, voor levende organismen en sterrenstelsels - is een belangrijke onderliggende structuur in de natuur. Het kenmerkt ons universum en maakt het mogelijk het te bestuderen en te begrijpen.

Omdat symmetrie zo'n alomtegenwoordig thema is in de natuur, natuurkundigen zijn vooral geïntrigeerd wanneer een object symmetrisch lijkt te zijn, maar dat is het niet. Wanneer wetenschappers worden geconfronteerd met deze gebroken symmetrieën, het is alsof ze een object hebben gevonden met een vreemde weerspiegeling in de spiegel.

het proton, een positief geladen deeltje dat zich in het centrum van elk atoom bevindt, vertoont asymmetrie in zijn samenstelling. Natuurkundigen van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en hun medewerkers hebben onlangs de fijne kneepjes van deze bekende gebroken symmetrie onderzocht door middel van een experiment dat werd uitgevoerd in het Fermi National Accelerator Laboratory van DOE. De resultaten van het experiment zouden het onderzoek naar het proton kunnen veranderen door eerder afgedankte theorieën over zijn innerlijke werking nieuw leven in te blazen.

De uitkomst van dit experiment is in tegenspraak met de conclusie van een onderzoek uit de late jaren 90, ook uitgevoerd bij Fermilab. Wetenschappers kunnen nu theorieën herzien om asymmetrie in het proton te beschrijven die door het oude experiment werden uitgesloten.

Het begrijpen van de eigenschappen van het proton helpt natuurkundigen bij het beantwoorden van enkele van de meest fundamentele vragen in de hele wetenschap, en door de wereld op het kleinste niveau te onderzoeken, wetenschappers bevorderen de technologie die we elke dag gebruiken. Studies van het proton hebben geleid tot de ontwikkeling van protontherapie voor de behandeling van kanker, meting van protonstraling tijdens ruimtereizen en zelfs begrip van stervorming en het vroege heelal.

"We waren in staat om naar de raadselachtige dynamiek binnen het proton te kijken, " zei Argonne natuurkundige Don Geesaman, "en door dit experiment, de natuur leidt de weg voor concepten in oudere modellen van het proton om een ​​tweede blik te krijgen."

Niet-overeenkomende kwestie

Net zoals vormen symmetrie kunnen hebben, deeltjes kunnen, te. Een perfecte cirkel bestaat uit twee halve cirkels van dezelfde grootte die tegenover elkaar staan, en elk type deeltje in het universum heeft een antideeltje van dezelfde massa met een tegengestelde elektrische lading.

De bouwstenen van het proton omvatten deeltjes die quarks worden genoemd, en hun antideeltjes, antiquarks genoemd. Ze komen in "smaken", zoals omhoog, omlaag, anti-up en anti-down. Quarks en antiquarks zijn in het proton met elkaar verbonden door een sterke kernkracht. De kracht van deze kracht kan paren quarks en antiquarks uit het niets trekken, en deze paren bestaan ​​voor een korte tijd voordat ze elkaar vernietigen. Deze "zee" van quarks en antiquarks die in en uit het bestaan ​​springen, is altijd aanwezig in het proton.

nieuwsgierig, op elk moment, er zijn drie quarks meer dan antiquarks:twee up-quarks meer dan anti-up-quarks, en één meer down-quark dan anti-down-quarks. Met andere woorden, deze niet-overeenkomende quarks hebben geen antimaterie-tegenhangers. Deze asymmetrie is de reden waarom protonen positief geladen zijn, waardoor atomen - en dus alle materie - kunnen bestaan.

"We hebben nog steeds een onvolledig begrip van quarks in een proton en hoe ze aanleiding geven tot de eigenschappen van het proton, " zei Paul Reimer, een fysicus uit Argonne over de studie. "De vluchtige aard van de quark-antiquark-paren maakt hun aanwezigheid in de protonen moeilijk te bestuderen, maar in dit experiment we ontdekten de vernietiging van de antiquarks, waardoor we inzicht kregen in de asymmetrie."

Het experiment stelde vast dat er altijd meer anti-down-quarks in het proton zijn dan anti-up-quarks, ongeacht de impulsen van de quarks. De betekenis van dit resultaat is de tegenspraak met de conclusie van het Fermilab-experiment in de late jaren 90, wat suggereerde dat bij hoge dynamiek, de asymmetrie van het proton keert om, wat betekent dat de anti-up-quarks de anti-down-quarks beginnen te domineren.

"We hebben het nieuwe experiment ontworpen om naar deze hoge impulsen te kijken om te bepalen of deze verandering echt optreedt, "zei Reimer. "We hebben aangetoond dat er een soepele asymmetrie is zonder omkering van de verhouding tussen anti-up en anti-down quarks."

Vernietiging reconstrueren

Om de quarks en antiquarks in het proton te onderzoeken, de wetenschappers schoten bundels van protonen op doelen en bestudeerden de nasleep van de deeltjesbotsingen. specifiek, ze bestudeerden wat er gebeurt nadat een proton uit de bundel een proton in het doelwit raakt.

Wanneer protonen botsen, quarks en antiquarks van de protonen vernietigen elkaar. Vervolgens, twee nieuwe fundamentele deeltjes genaamd muonen komen uit de vernietiging, fungeren als de handtekening van de interactie. Van deze interacties de wetenschappers bepaalden de verhouding tussen anti-up-quarks en anti-down-quarks bij een reeks hoge impulsen.

"We hebben ervoor gekozen om muonen te meten omdat ze beter door materiaal kunnen gaan dan de meeste andere botsingsfragmenten, " zei Reimer. Tussen de doelen en hun meetapparatuur, het team plaatste een vijf meter dikke ijzeren muur om te voorkomen dat andere deeltjes er doorheen gaan en hun signalen vertroebelen.

Wanneer de muonen aan het einde van hun reis de meetapparatuur raken, de wetenschappers reconstrueerden de quark-antiquark-annihilaties uit de metingen, waardoor ze de soepele, consistente verhouding van anti-up-quarks tot anti-down-quarks.

Een tweede blik

"Wat we dachten te zien in het vorige experiment is niet wat er gebeurt, " zei Geesaman, die deel uitmaakte van zowel het huidige als eerdere onderzoek. "Waarom, Hoewel? Dat is de volgende stap."

Theorieën die werden verworpen nadat ze de resultaten van het vorige experiment tegenspraken, geven nu een geweldige beschrijving van de nieuwe gegevens, en wetenschappers kunnen ze dankzij dit experiment met meer vertrouwen opnieuw bekijken. Deze theorieën zullen verdere experimenten over asymmetrie in het proton en andere deeltjes informeren, toe te voegen aan ons begrip van de theorie rond quarks.

Aanwijzingen over de aard van quarks in het proton leiden uiteindelijk tot een beter begrip van de atoomkern. Het begrijpen van de kern kan de eigenschappen van het atoom en hoe verschillende chemische elementen met elkaar reageren, demystificeren. Protonenonderzoek raakt gebieden als chemie, astronomie, kosmologie en biologie, leiden tot vooruitgang in de geneeskunde, materiaalkunde en meer.

"Je hebt experiment nodig om de denk- en dwangtheorie te leiden, en hier, we waren op zoek naar de natuur om ons inzicht te geven in de dynamiek van het proton, "zei Geesaman. "Het is een verweven cyclus van experiment en theorie die leidt tot impactvol onderzoek."

Een paper over de studie, "De asymmetrie van antimaterie in het proton", werd gepubliceerd in Natuur op 24 februari.