Er werd veel ophef gemaakt over het Higgs-deeltje toen dit ongrijpbare deeltje in 2012 werd ontdekt. ​​Hoewel het werd aangeprezen als massa van gewone materie, genereren interacties met het Higgs-veld slechts ongeveer 1 procent van de gewone massa. De overige 99 procent komt van verschijnselen die verband houden met de sterke kracht, de fundamentele kracht die kleinere deeltjes, quarks genaamd, bindt tot grotere deeltjes, protonen en neutronen genaamd, die de kern vormen van de atomen van gewone materie.

Nu hebben onderzoekers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie experimenteel de kracht van de sterke kracht geëxtraheerd, een hoeveelheid die theorieën stevig ondersteunt die uitleggen hoe de meeste massa of gewone materie in het universum wordt gegenereerd.

Deze hoeveelheid, bekend als de koppeling van de sterke kracht, beschrijft hoe sterk twee lichamen onder deze kracht op elkaar inwerken of "koppelen". Sterke krachtkoppeling varieert met de afstand tussen de deeltjes die door de kracht worden beïnvloed. Voorafgaand aan dit onderzoek waren theorieën het oneens over hoe sterke krachtkoppeling zich op grote afstand zou moeten gedragen:sommigen voorspelden dat het zou groeien met de afstand, sommigen dat het zou moeten afnemen en sommigen dat het constant zou moeten worden.

Met gegevens van Jefferson Lab konden de natuurkundigen de sterke krachtkoppeling op de grootste afstanden tot nu toe bepalen. Hun resultaten, die experimentele ondersteuning bieden voor theoretische voorspellingen, stonden onlangs op de omslag van het tijdschrift Particles .

"We zijn blij en opgewonden om te zien dat onze inspanningen worden erkend", zegt Jian-Ping Chen, senior stafwetenschapper bij Jefferson Lab en co-auteur van het artikel.

Hoewel dit artikel het resultaat is van jarenlang verzamelen en analyseren van gegevens, was het aanvankelijk niet helemaal de bedoeling.

Een spin-off van een spin-experiment

Bij kleinere afstanden tussen quarks is sterke krachtkoppeling klein, en natuurkundigen kunnen dit oplossen met een standaard iteratieve methode. Bij grotere afstanden wordt sterke krachtkoppeling echter zo groot dat de iteratieve methode niet meer werkt.

"Dit is zowel een vloek als een zegen", zegt Alexandre Deur, stafwetenschapper bij Jefferson Lab en co-auteur van het artikel. "Hoewel we meer gecompliceerde technieken moeten gebruiken om deze hoeveelheid te berekenen, ontketent de pure waarde ervan een groot aantal zeer belangrijke opkomende verschijnselen."

Dit omvat een mechanisme dat goed is voor 99 procent van de gewone massa in het universum. (Maar daar komen we zo op terug.)

Ondanks de uitdaging om de iteratieve methode niet te kunnen gebruiken, hebben Deur, Chen en hun co-auteurs sterke krachtkoppeling op de grootste afstanden tussen getroffen lichamen ooit geëxtraheerd.

Ze haalden deze waarde uit een handvol Jefferson Lab-experimenten die eigenlijk waren ontworpen om iets heel anders te bestuderen:proton- en neutronenspin.

Deze experimenten werden uitgevoerd in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility van het laboratorium, een DOE-gebruikersfaciliteit. CEBAF is in staat om gepolariseerde elektronenbundels te leveren, die in de experimentele zalen kunnen worden gericht op gespecialiseerde doelen die gepolariseerde protonen en neutronen bevatten. Wanneer een elektronenbundel gepolariseerd is, betekent dit dat een meerderheid van de elektronen allemaal in dezelfde richting ronddraaien.

Deze experimenten schoten de gepolariseerde elektronenbundel van Jefferson Lab op gepolariseerde proton- of neutronendoelen. Tijdens de jaren van data-analyse die daarna volgden, realiseerden de onderzoekers zich dat ze de verzamelde informatie over het proton en het neutron konden combineren om een ​​sterke krachtkoppeling op grotere afstanden te verkrijgen.

"Alleen de krachtige gepolariseerde elektronenbundel van Jefferson Lab, in combinatie met ontwikkelingen in gepolariseerde doelen en detectiesystemen, stelden ons in staat om dergelijke gegevens te verkrijgen," zei Chen.

Ze ontdekten dat naarmate de afstand tussen de aangetaste lichamen toeneemt, de sterke krachtkoppeling snel groeit voordat deze afvlakt en constant wordt.

"Er zijn enkele theorieën die voorspelden dat dit het geval zou moeten zijn, maar dit is de eerste keer dat we dit experimenteel zagen," zei Chen. "Dit geeft ons details over hoe de sterke kracht, op de schaal van de quarks die protonen en neutronen vormen, eigenlijk werkt."

Nivellering ondersteunt enorme theorieën

Deze experimenten werden ongeveer 10 jaar geleden uitgevoerd, toen de elektronenbundel van Jefferson Lab in staat was elektronen te leveren met een energie van maximaal 6 GeV (het is nu in staat tot 12 GeV). De elektronenbundel met lagere energie was nodig om de sterke kracht op deze grotere afstanden te onderzoeken:een sonde met lagere energie geeft toegang tot langere tijdschalen en dus grotere afstanden tussen aangetaste deeltjes.

Evenzo is een sonde met hogere energie essentieel om in te zoomen voor weergaven van kortere tijdschalen en kleinere afstanden tussen deeltjes. Labs met hogere energiebundels, zoals CERN, Fermi National Accelerator Laboratory en SLAC National Accelerator Laboratory, hebben al sterke krachtkoppeling onderzocht op deze kleinere ruimtetijdschalen, wanneer deze waarde relatief klein is.

De ingezoomde weergave van bundels met hogere energie heeft aangetoond dat de massa van een quark klein is, slechts een paar MeV. Tenminste, dat is hun leerboekmassa. Maar als quarks met een lagere energie worden onderzocht, groeit hun massa in feite tot 300 MeV.

Dit komt omdat de quarks een wolk van gluonen verzamelen, het deeltje dat de sterke kracht draagt, terwijl ze over grotere afstanden bewegen. Het massagenererende effect van deze wolk is verantwoordelijk voor het grootste deel van de massa in het universum - zonder deze extra massa kan de massa van quarks uit het leerboek slechts ongeveer 1% van de massa van protonen en neutronen uitmaken. De overige 99% komt van deze verworven massa.

Evenzo stelt een theorie dat gluonen massaloos zijn op korte afstanden, maar effectief massa verwerven naarmate ze verder reizen. Het nivelleren van sterke krachtkoppeling op grote afstanden ondersteunt deze theorie.

"Als gluonen op grote afstand massaloos zouden blijven, zou sterke krachtkoppeling ongecontroleerd blijven groeien", zei Deur. "Onze metingen laten zien dat sterke krachtkoppeling constant wordt naarmate de gemeten afstand groter wordt, wat een teken is dat gluonen massa hebben gekregen via hetzelfde mechanisme dat 99% van de massa aan het proton en het neutron geeft."

Dit betekent dat sterke krachtkoppeling op grote afstanden belangrijk is om dit massageneratiemechanisme te begrijpen. Deze resultaten helpen ook bij het verifiëren van nieuwe manieren om vergelijkingen voor kwantumchromodynamica (QCD) op te lossen, de geaccepteerde theorie die de sterke kracht beschrijft.

De afvlakking van de sterke krachtkoppeling op grote afstanden levert bijvoorbeeld het bewijs dat natuurkundigen een nieuwe, geavanceerde techniek kunnen toepassen, genaamd Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) dualiteit. Met de AdS/CFT-techniek kunnen natuurkundigen vergelijkingen niet-iteratief oplossen, wat kan helpen bij sterke krachtberekeningen op grote afstanden waar iteratieve methoden falen.

Het conforme in "Conformal Field Theory" betekent dat de techniek is gebaseerd op een theorie die zich op alle ruimtetijdschalen hetzelfde gedraagt. Omdat sterke krachtkoppeling op grotere afstanden afvlakt, is deze niet langer afhankelijk van de ruimtetijdschaal, wat betekent dat de sterke kracht conform is en AdS/CFT kan worden toegepast. Hoewel theoretici AdS/CFT al op QCD hebben toegepast, ondersteunen deze gegevens het gebruik van de techniek.

"AdS/CFT heeft ons in staat gesteld om problemen van QCD of kwantumzwaartekracht op te lossen die tot nu toe onhandelbaar waren of zeer ruw werden aangepakt met behulp van niet erg rigoureuze modellen", zei Deur. "Dit heeft veel opwindende inzichten opgeleverd in de fundamentele fysica."

Dus hoewel deze resultaten zijn gegenereerd door experimentatoren, hebben ze de meeste invloed op theoretici.

"Ik geloof dat deze resultaten een echte doorbraak zijn voor de vooruitgang van de kwantumchromodynamica en de hadronfysica", zegt Stanley Brodsky, emeritus hoogleraar aan het SLAC National Accelerator Laboratory en een QCD-theoreticus. "Ik feliciteer de natuurkundegemeenschap van het Jefferson Lab, in het bijzonder Dr. Alexandre Deur, met deze grote vooruitgang in de natuurkunde."

Jaren zijn verstreken sinds de experimenten die per ongeluk deze resultaten opleverden, werden uitgevoerd. Een geheel nieuwe reeks experimenten maakt nu gebruik van Jefferson Lab's hogere energiebundel van 12 GeV om kernfysica te onderzoeken.

"Eén ding waar ik erg blij mee ben met al deze oudere experimenten, is dat we veel jonge studenten hebben opgeleid en dat ze nu leiders zijn geworden van toekomstige experimenten," zei Chen.

Alleen de tijd zal leren welke theorieën deze nieuwe experimenten ondersteunen. + Verder verkennen

Kernfysici op jacht naar samengeperste protonen