De kracht van de zwaartekracht is groot in ons zichtbare universum. Het is te zien in de stap van manen terwijl ze om planeten cirkelen; in rondzwervende kometen die door massieve sterren uit hun koers worden getrokken; en in de werveling van gigantische sterrenstelsels. Deze geweldige displays tonen de invloed van de zwaartekracht op de grootste materieschalen. Nu ontdekken kernfysici dat de zwaartekracht ook op de kleinste schaal van de materie veel te bieden heeft.

Nieuw onderzoek uitgevoerd door kernfysici van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie maakt gebruik van een methode die theorieën over zwaartekracht verbindt met interacties tussen de kleinste materiedeeltjes om nieuwe details op deze kleinere schaal te onthullen. Het onderzoek heeft nu voor het eerst een momentopname onthuld van de verdeling van de sterke kracht binnen het proton. Deze momentopname beschrijft de schuifspanning die de kracht kan uitoefenen op de quarkdeeltjes waaruit het proton bestaat. Het resultaat is onlangs gepubliceerd in Reviews of Modern Physics .

Volgens de hoofdauteur van het onderzoek, Jefferson Lab Principal Staff Scientist Volker Burkert, onthult de meting inzicht in de omgeving die wordt ervaren door de bouwstenen van het proton. Protonen zijn opgebouwd uit drie quarks die met elkaar verbonden zijn door de sterke kracht.

"Op zijn hoogtepunt is dit meer dan een kracht van vier ton die je op een quark zou moeten uitoefenen om hem uit het proton te trekken", legt Burkert uit. ‘De natuur staat ons natuurlijk niet toe om slechts één quark van het proton te scheiden, vanwege een eigenschap van quarks die ‘kleur’ wordt genoemd. Er zijn drie kleuren die quarks in het proton mengen, zodat het van buitenaf kleurloos lijkt, een vereiste voor het bestaan ​​ervan in de ruimte.

"Als je probeert een gekleurde quark uit het proton te trekken, ontstaat er een kleurloos quark/anti-quark-paar, een meson, waarbij je de energie die je erin steekt gebruikt om te proberen de quark te scheiden, waardoor een kleurloos proton (of neutron) achterblijft. Dus, de 4 ton is een illustratie van de sterkte van de kracht die intrinsiek is in het proton."

Het resultaat is slechts de tweede van de mechanische eigenschappen van het proton die moet worden gemeten. De mechanische eigenschappen van het proton omvatten de interne druk, de massaverdeling (fysieke grootte), het impulsmoment en de schuifspanning. Het resultaat werd mogelijk gemaakt door een voorspelling van een halve eeuw oud en gegevens van twintig jaar oud.

Halverwege de jaren zestig werd getheoretiseerd dat als kernfysici konden zien hoe de zwaartekracht interageert met subatomaire deeltjes, zoals het proton, dergelijke experimenten de mechanische eigenschappen van het proton rechtstreeks zouden kunnen onthullen.

"Maar in die tijd was dat onmogelijk. Als je bijvoorbeeld de zwaartekracht vergelijkt met de elektromagnetische kracht, zijn er 39 ordes van grootte van verschil - dus het is volkomen hopeloos, toch?" legt Latifa Elouadhriri uit, een stafwetenschapper van het Jefferson Lab en co-auteur van het onderzoek.

De tientallen jaren oude gegevens zijn afkomstig van experimenten die zijn uitgevoerd met de Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) van Jefferson Lab, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. Een typisch CEBAF-experiment zou inhouden dat een energetisch elektron interageert met een ander deeltje door een pakket energie en een eenheid van impulsmoment, een virtueel foton genaamd, met het deeltje uit te wisselen. De energie van het elektron bepaalt met welke deeltjes het op deze manier interageert en hoe ze reageren.

In het experiment werd een kracht die zelfs veel groter was dan de vier ton die nodig was om een ​​quark/antiquark-paar eruit te trekken, op het proton uitgeoefend door de hoogenergetische elektronenbundel die in wisselwerking stond met het proton in een doelwit van vloeibaar waterstofgas.

"We hebben het programma ontwikkeld om diepgaande virtuele Compton-verstrooiing te bestuderen. Hier heb je een elektron dat een virtueel foton uitwisselt met het proton. En in de uiteindelijke toestand bleef het proton hetzelfde, maar deinsde terug, en je hebt één echt, zeer hoog energetisch foton geproduceerd, plus het verstrooide elektron”, zei Elouadhriri. "Toen we de gegevens verzamelden, waren we ons er niet van bewust dat we naast de driedimensionale beeldvorming die we met deze gegevens bedoelden, ook de gegevens verzamelden die nodig waren om toegang te krijgen tot de mechanische eigenschappen van het proton."

Het blijkt dat dit specifieke proces – diep virtuele Compton-verstrooiing (DVCS) – verband kan houden met de interactie van zwaartekracht met materie. De algemene versie van dit verband werd vermeld in het leerboek uit 1973 over Einsteins algemene relativiteitstheorie, getiteld "Gravitation" door Charles W. Misner, Kip S. Thorne en John Archibald Wheeler.

Daarin schreven ze:‘Elk massaloos spin-2-veld zou aanleiding geven tot een kracht die niet te onderscheiden is van de zwaartekracht, omdat een massaloos spin-2-veld zou koppelen aan de spannings-energietensor op dezelfde manier als zwaartekrachtinteracties dat doen. ."

Drie decennia later volgde theoreticus Maxim Polyakov dit idee op door de theoretische basis te leggen die het DVCS-proces en zwaartekrachtsinteractie met elkaar verbindt.

"Deze doorbraak in de theorie heeft de relatie gelegd tussen de meting van diep virtuele Compton-verstrooiing en de zwaartekrachtvormfactor. En we waren in staat om die voor de eerste keer te gebruiken en de druk te extraheren die we in de Natuur hebben uitgeoefend. paper uit 2018, en nu de normaalkracht en de schuifkracht", legt Burkert uit.

Een meer gedetailleerde beschrijving van de verbindingen tussen het DVCS-proces en de zwaartekrachtinteractie is te vinden in dit artikel waarin het eerste resultaat van dit onderzoek wordt beschreven.

De onderzoekers zeggen dat hun volgende stap is om te werken aan het extraheren van de informatie die ze nodig hebben uit de bestaande DVCS-gegevens om de eerste bepaling van de mechanische grootte van het proton mogelijk te maken. Ze hopen ook te profiteren van nieuwere experimenten met hogere statistieken en hogere energie waarmee het DVCS-onderzoek naar het proton wordt voortgezet.

In de tussentijd zijn de co-auteurs van het onderzoek verbaasd over de overvloed aan nieuwe theoretische inspanningen, beschreven in honderden theoretische publicaties, die deze nieuw ontdekte weg voor het onderzoeken van de mechanische eigenschappen van het proton zijn gaan exploiteren.

"En ook nu we ons in dit nieuwe tijdperk van ontdekking bevinden met het onlangs uitgebrachte Langetermijnplan voor Nucleaire Wetenschap 2023. Dit zal een belangrijke pijler zijn in de richting van de wetenschap met nieuwe faciliteiten en nieuwe detectorontwikkelingen. We kijken ernaar uit om te zien wat er nog meer gedaan kan worden," zei Burkert.

Elouadhriri is het daarmee eens.

"En naar mijn mening is dit nog maar het begin van iets veel groters. Het heeft de manier waarop we denken over de structuur van het proton al veranderd," zei ze.

"Nu kunnen we de structuur van subnucleaire deeltjes uitdrukken in termen van krachten, druk en fysieke afmetingen waar ook niet-natuurkundigen zich mee kunnen identificeren", aldus Burkert.

Meer informatie: V. D. Burkert et al, Colloquium:Gravitationele vormfactoren van het proton, Reviews van de moderne natuurkunde (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002

Journaalinformatie: Reviews van de moderne natuurkunde , Natuur

Geleverd door Thomas Jefferson National Accelerator Facility