Probeer je een proton voor te stellen - het minuscule, positief geladen deeltje in een atoomkern - en je kunt je een bekend, leerboekdiagram voorstellen:een bundel biljartballen die quarks en gluonen voorstellen. Van het massieve bolmodel dat voor het eerst werd voorgesteld door John Dalton in 1803 tot het kwantummodel dat Erwin Schrödinger in 1926 naar voren bracht, is er een legendarische tijdlijn van natuurkundigen die proberen het onzichtbare te visualiseren.

Nu werken MIT-hoogleraar natuurkunde Richard Milner, Jefferson Laboratory-fysici Rolf Ent en Rik Yoshida, MIT-documentairemakers Chris Boebel en Joe McMaster, en James LaPlante van Sputnik Animation samen om de subatomaire wereld op een nieuwe manier weer te geven. "Visualizing the Proton", gepresenteerd door MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) en Jefferson Lab, is een originele animatie van het proton, bedoeld voor gebruik in klaslokalen op de middelbare school. Ent en Milner presenteerden de animatie in bijdragende gesprekken op de aprilbijeenkomst van de American Physics Society en deelden het ook op een gemeenschapsevenement georganiseerd door MIT Open Space Programming op 20 april. Naast de animatie, een korte documentaire over het samenwerkingsproces is bezig.

Het is een project waar Milner en Ent aan denken sinds minstens 2004, toen Frank Wilczek, de Herman Feshbach-hoogleraar natuurkunde aan het MIT, een animatie deelde in zijn Nobellezing over kwantumchromodynamica (QCD), een theorie die het bestaan ​​van gluonen voorspelt in het proton. "Er is een enorm sterke MIT-afstamming van het onderwerp", merkt Milner op, ook verwijzend naar de 1990 Nobelprijs voor natuurkunde, toegekend aan Jerome Friedman en Henry Kendall van MIT en Richard Taylor van SLAC National Accelerator Laboratory voor hun baanbrekende onderzoek dat het bestaan ​​van quarks.

Om te beginnen dachten de natuurkundigen dat animatie een effectief medium zou zijn om de wetenschap achter de Electron Ion Collider uit te leggen, een nieuwe deeltjesversneller van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science - waarvan veel MIT-faculteiten, waaronder Milner, evenals collega's zoals Ent , hebben lang gepleit voor. Bovendien zijn nog steeds weergaven van het proton inherent beperkt, niet in staat om de beweging van quarks en gluonen weer te geven. "Essentiële onderdelen van de fysica zijn animatie, kleur, deeltjes die vernietigen en verdwijnen, kwantummechanica, relativiteit. Het is bijna onmogelijk om dit zonder animatie over te brengen", zegt Milner.

In 2017 maakte Milner kennis met Boebel en McMaster, die op hun beurt LaPlante aan boord haalden. Milner "had een intuïtie dat een visualisatie van hun collectieve werk heel, heel waardevol zou zijn", herinnert Boebel zich over het begin van het project. Ze vroegen een CAST-faculteitsbeurs aan en het idee van het team begon te leven.

"De CAST-selectiecommissie was geïntrigeerd door de uitdaging en zag het als een prachtige kans om het proces van het maken van de animatie van het proton en de animatie zelf te benadrukken", zegt Leila Kinney, uitvoerend directeur van kunstinitiatieven en van CAST. "Echte samenwerkingen tussen kunst en wetenschap zijn complexer dan projecten voor wetenschapscommunicatie of wetenschapsvisualisatie. Ze omvatten het samenbrengen van verschillende, even geavanceerde manieren om creatieve ontdekkingen te doen en interpretatieve beslissingen te nemen. Het is belangrijk om de mogelijkheden, beperkingen en keuzes te begrijpen die al zijn ingebed in de visuele technologie geselecteerd om het proton te visualiseren. We hopen dat mensen wegkomen met een beter begrip van visuele interpretatie als een manier van kritisch onderzoek en kennisproductie, evenals natuurkunde."

Boebel en McMaster filmden het proces van het creëren van zo'n visuele interpretatie van achter de schermen. "Het is altijd een uitdaging als je mensen samenbrengt die echt experts van wereldklasse zijn, maar uit verschillende sferen, en hen vraagt ​​om over iets technischs te praten", zegt McMaster over de inspanningen van het team om iets te produceren dat zowel wetenschappelijk nauwkeurig als visueel aantrekkelijk is. "Hun enthousiasme is echt aanstekelijk."

In februari 2020 verwelkomde animator LaPlante de wetenschappers en filmmakers in zijn studio in Maine om zijn eerste idee te delen. Hoewel het begrijpen van de wereld van de kwantumfysica een unieke uitdaging vormde, legt hij uit:"Een van de voordelen die ik heb, is dat ik geen wetenschappelijke achtergrond heb. Mijn doel is altijd om mijn hoofd rond de wetenschap te wikkelen en dan erachter te komen, "OK, nou, hoe ziet het eruit?'"

Gluonen zijn bijvoorbeeld beschreven als veren, elastieken en stofzuigers. LaPlante stelde zich het deeltje voor, waarvan men dacht dat het quarks bij elkaar hield, als een bak met slijm. Als je je gesloten vuist erin steekt en probeert hem te openen, creëer je een luchtvacuüm, waardoor het moeilijker wordt om je vuist te openen omdat het omringende materiaal hem naar binnen wil oprollen.

LaPlante werd ook geïnspireerd om zijn 3D-software te gebruiken om "de tijd te bevriezen" en rond een bewegingloos proton te vliegen, alleen voor de natuurkundigen om hem te informeren dat een dergelijke interpretatie onnauwkeurig was op basis van de bestaande gegevens. Deeltjesversnellers kunnen alleen een tweedimensionaal plakje detecteren. In feite is driedimensionale gegevens iets dat wetenschappers hopen vast te leggen in hun volgende fase van experimenten. Ze waren allemaal tegen dezelfde muur gelopen - en dezelfde vraag - ondanks het feit dat ze het onderwerp op totaal verschillende manieren benaderden.

"Mijn kunst gaat echt over heldere communicatie en proberen complexe wetenschap tot iets begrijpelijks te krijgen", zegt LaPlante. Net als in de wetenschap is het vaak de eerste stap van zijn artistieke proces om dingen verkeerd te doen. Zijn eerste poging tot animatie was echter een hit bij de natuurkundigen en ze verfijnden het project enthousiast via Zoom.

"Er zijn twee basisknoppen die experimentatoren kunnen draaien wanneer we een elektron met hoge energie van een proton verstrooien", legt Milner uit, net zoals ruimtelijke resolutie en sluitertijd in fotografie. "Die cameravariabelen hebben directe analogieën in de wiskundige taal van natuurkundigen die deze verstrooiing beschrijven."

Als de 'belichtingstijd' of Bjorken-X, wat in QCD de fysieke interpretatie is van de fractie van het momentum van het proton gedragen door één quark of gluon, wordt verlaagd, zie je het proton als een bijna oneindig aantal gluonen en quarks die heel snel. Als Bjorken-X wordt verhoogd, zie je drie blobs, of Valence-quarks, in rood, blauw en groen. Naarmate de ruimtelijke resolutie wordt gekozen, verandert het proton van een bolvormig object in een pancaked object.

"We denken dat we een nieuwe tool hebben uitgevonden", zegt Milner. "Er zijn fundamentele wetenschappelijke vragen:hoe zijn de gluonen verdeeld in een proton? Zijn ze uniform? Zijn ze samengeklonterd? We weten het niet. Dit zijn fundamentele, fundamentele vragen die we kunnen animeren. We denken dat het een hulpmiddel is voor communicatie, begrip , en wetenschappelijke discussie.

"Dit is het begin. Ik hoop dat mensen het over de hele wereld zien en geïnspireerd raken." + Verder verkennen

Onderzoek naar de oorsprong van protonspin

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.