Terwijl protonen de kern van elk atoom in het heelal bevolken, soms kunnen ze in een kleiner formaat worden geperst en uit de kern glippen om op zichzelf te ravotten. Het observeren van deze samengeperste protonen kan unieke inzichten bieden in de deeltjes die ons universum vormen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers die op zoek zijn naar deze geperste protonen in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie, zijn met lege handen gekomen, wat suggereert dat er meer aan het fenomeen is dan eerst werd gedacht. Het resultaat is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We wilden het proton zo persen dat de quarks in een kleine configuratie zijn. En dat is best moeilijk om te doen, " zei Holly Szumila-Vance, een stafwetenschapper van Jefferson Lab.

Protonen zijn gemaakt van drie quarks verbonden door de sterke kracht. In een gewoon proton, de sterke kracht is zo sterk dat hij eruit lekt, waardoor het proton blijft plakken aan andere protonen en neutronen eromheen in de kern. Dat is volgens de kwantumchromodynamica, of QCD, de theorie die beschrijft hoe quarks en de sterke kracht op elkaar inwerken. In QCD, de sterke kracht wordt ook wel de kleurkracht genoemd.

Echter, QCD voorspelt ook dat het proton zodanig kan worden samengeknepen dat de quarks hechter worden - zichzelf in wezen zo strak in de kleurkracht wikkelen dat het niet langer uit het proton lekt. Wanneer dat gebeurt, het proton plakt niet meer aan andere deeltjes en kan vrij door de kern bewegen. Dit fenomeen wordt "kleurtransparantie, " aangezien het proton onzichtbaar is geworden voor de kleurkracht van de deeltjes eromheen.

"Het is een fundamentele voorspelling van kwantumchromodynamica, de theorie die deze deeltjes beschrijft, " legde Szumila-Vance uit.

Een eerder experiment toonde kleurtransparantie in eenvoudiger deeltjes gemaakt van quarks, pionen genaamd. Waar protonen drie quarks hebben, pions hebben er maar twee. In aanvulling, een ander experiment met protonen had ook gesuggereerd dat protonen ook kleurtransparantie kunnen vertonen bij energieën die ruim binnen het bereik van de onlangs opgewaardeerde faciliteit in Jefferson Lab liggen.

"We verwachtten de protonen samengeperst te vinden, net als de pionen, " zei Dipangkar Dutta, een professor aan de Mississippi State University en een woordvoerder van het experiment. "Maar we gingen naar hogere en hogere energieën en vinden ze nog steeds niet."

Het experiment was een van de eerste die werd uitgevoerd in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, na de upgrade van 12 GeV. In het experiment, de kernfysici leidden hoogenergetische elektronen van CEBAF naar de kernen van koolstofatomen. Vervolgens maten ze de uitgaande elektronen en eventuele protonen die eruit kwamen.

"Dit was een opwindend experiment om deel van uit te maken. Het was het eerste experiment dat werd uitgevoerd in Experimentele Hal C nadat we de hal hadden geüpgraded voor een werking van 12 GeV, " zei Szumila-Vance. "Dit waren de protonen met het hoogste momentum gemeten in Jefferson Lab, en de protonen met het hoogste momentum ooit geproduceerd door elektronenverstrooiing."

"Bij de energieën die we onderzoeken, het proton wordt meestal gedecimeerd, en je kijkt naar het puin van het proton, " legde Dutta uit. "Maar in ons geval, we willen dat het proton een proton blijft, en de enige manier waarop dat kan gebeuren is als de quarks een beetje samenknijpen, houden elkaar veel steviger vast, zodat ze samen uit de kern kunnen ontsnappen."

Terwijl de kernfysici tijdens het experiment enkele duizenden protonen observeerden, ze vonden de veelbetekenende tekenen van kleurtransparantie niet in de nieuwe gegevens.

"Ik denk dat dit ons vertelt dat het proton ingewikkelder is dan we hadden verwacht, " zei Szumila-Vance. "Dit is een fundamentele voorspelling van de theorie. We weten dat het met een hoge energie moet bestaan, maar weet alleen nog niet waar dat gaat gebeuren."

De onderzoekers zeiden dat de volgende stap is om het fenomeen beter te begrijpen in eenvoudiger deeltjes waar het al is waargenomen. zodat betere voorspellingen kunnen worden gedaan voor complexere deeltjes, zoals protonen.