Hala çözülmemiş bir gizem: proton ve nötron kütlesi nereden geliyor?
Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinin Sürekli Elektron Işını Hızlandırıcı Tesisi'nde (CEBAF), elektron ışınları demetler oluşturur. (Fotoğraf: Floto + Warner)
Protonların ve nötronların kütlesi ve dönüşü nereden geliyor? Şaşırtıcı bir şekilde cevabı bilmiyoruz. Protonlar ve nötronlar bir iç yapıya sahiptir - kuarklar, ancak kuarklar protonları nasıl oluşturur? Kuantum mekaniğine göre, proton sadece üç kuarktan oluşmuyor, bir kap "parçacık çorbası". Şimdi, bilim adamlarının bu çorba kabının içinde ne olduğunu görmek için protonları vurmak için elektron kullanmaları gerekiyor.
Yazılı | Abhay Deshpande (Abhay Deshpande),
Rikutaro Yoshida
Tercüme | Wang Rong
İnceleme | Chen Xurong
Bilim adamları, gözlemlenebilir evrende, çoğu proton ve nötron olan yaklaşık 1053 kilogram sıradan madde olduğunu ve toplamda yaklaşık 1080 olduğunu tahmin ediyor. Atomlar bu iki tür parçacık ve elektrondan oluşur. Peki proton ve nötron kütlesi nereden geliyor?
Cevap basit değil. Protonlara ve nötronlara Kuark Ve yapıştırıcı Gluon kompozisyon. Gluonlar kütlesizdir ve protonlar ve nötronlar (topluca nükleon olarak adlandırılır) Tüm kuarkların toplam kütlesi, toplam nükleon kütlesinin% 2'sinden azdır. . Öyleyse kalitenin geri kalanı nereden geliyor?
Çekirdeklerdeki tek gizem kalite değildir. Dönüşleri de aynı derecede kafa karıştırıcıdır - çekirdekteki kuarkın dönüşü, tüm nükleonun dönüşünü açıklamaya yeterli değildir. Bilim adamları şimdi buna inanıyor Nükleonların spin, kütle ve diğer özellikleri, içlerindeki kuarklar ve gluonlar arasındaki karmaşık etkileşimlerden türetilir, ancak tam mekanizmayı bilmiyorlar. Bilim adamları ancak teori yoluyla bu kadarını anlayabilirler, çünkü kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşime Kuantum kromodinamiği (QCD), hesaplanması son derece zor olan teoriye hakimdir.
Bu sorulara daha fazla cevap verebilmek için yeni deneysel verilere ihtiyacımız var. bu nedenle Elektron iyon çarpıştırıcısı (EIC) fikri ortaya çıktı. CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı veya Birleşik Devletler'deki Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) gibi diğer atom "parçalayıcılar", protonlar ve iyonlar gibi kompozit parçacıkları etkiler. EIC onlardan farklıdır. Protonları ve nötronları vurmak için elektronları kullanır. Elektronların iç yapıları yoktur ve mikroskop gibi davranarak bilim adamlarının kompozit parçacıkların içinde ne olduğunu görmelerini sağlar.
EIC şu anda ABD nükleer bilim topluluğundaki en yüksek öncelikli projelerden biridir ve iki aday adresi vardır, biri Long Island'daki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve diğeri Newport News, Virginia'daki Thomas Jefferson. Ulusal Hızlandırıcı Tesisi (Jefferson Laboratuvarı). Onaylanırsa, EIC 2030 civarında veri toplamaya başlayabilir.
Bu çarpıştırıcı anahtar bir soruyu yanıtlayabilir: Tek tek kuarkların ve gluonların dönüşü ve kütlesi, protonların ve nötronların dönüşünü ve kütlesini yaratmak için kolektif hareketlerinin enerjisiyle nasıl birleşir? EIC ayrıca, kuarklar ve gluonların birlikte kümelenmesi veya çekirdeğin içine dağılması gibi diğer birçok soruyu da yanıtlayabilir mi? Ne kadar hızlı hareket ediyorlar? Nükleonlar çekirdekte bir arada tutulduğunda bu etkileşimler nasıl bir rol oynar? EIC üzerindeki ölçüm sonuçları, maddenin temel bileşenlerinin nasıl etkileşime girdiğini ve sonunda görünür evreni nasıl oluşturduğunu anlamamıza yardımcı olacak birçok yeni bilgi sağlayacaktır. Kuarkın keşfinden elli yıl sonra, içindeki bulmacayı çözmekten nihayet sadece bir adım uzaktayız.
Kromatik dinamik
Bilim adamları, nesnelerin atomlardan nasıl oluştuğunu ve nesnelerin özelliklerinin kendi iç atomlarının özelliklerine göre nasıl belirlendiğini çok iyi bilirler. Öyleyse neden kuarkların ve gluonların nükleonları nasıl oluşturduğunu anlamıyoruz? Her şeyden önce, çekirdeklerin boyutu bir atomun yalnızca milyonda biri kadardır, bu yüzden onları incelemenin kolay bir yolu yoktur. Ek olarak, nükleonların özellikleri, kuarkların ve gluonların toplu davranışlarından elde edilir. Aslında, bunlar "ortaya çıkan" fenomenlerdir, yani birçok karmaşık parçacığın etkileşimler yoluyla genel etkisi Bu etkileşimler, şimdilik tam olarak anlayamayacağımız kadar karmaşıktır.
Bu etkileşimleri tanımlayan teori, 1960'ların sonlarında ve 1970'lerin başlarında geliştirilen Kuantum Kromodinamiğidir (QCD). QCD, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik kuvvetin fotonlar tarafından taşınması gibi, "standart model" in bir parçasıdır, diyor QCD, Nükleonları birbirine bağlayan güçlü etkileşim gluonlar tarafından taşınır. . Güçlü etkileşimde yer alan "yük", "renk yükü" olarak adlandırılır (bu nedenle teorisine "kromodinamik" denir). Kuarklar renk yükleri taşır ve gluon alışverişi yaparak diğer kuarklarla etkileşime girer. Ancak elektromanyetikte yükü olmayan fotonların aksine, gluonlar renk yükleri taşırlar. Bu nedenle, gluonlar daha fazla gluon değiştirerek diğer gluonlarla etkileşime girebilir. Gluonların bu eşsiz özelliği çok önemlidir. Etkileşimli geri bildirim döngüsü QCD teorisinin genellikle hesaplanamayacak kadar karmaşık olmasının nedeni budur.
QCD ayrıca diğer iyi bilinen teorilerden farklıdır: kuarklar birbirine yaklaştığında, güçlü etkileşim kuvveti zayıflar. (Elektromanyetizmada durum tam tersidir.) Çekirdeğin içindeki kuarklar arasındaki mesafe yeterince küçük olduğunda, kuarkların üzerindeki kuvvet o kadar küçüktür ki serbest gibi görünürler. Fizikçiler David Gross, David Politzer ve Frank Wilczek, QCD teorisinin bu garip sonucunu keşfettikleri için 2004 yılında Nobel Ödülü'nü kazandı. Fizik Ödülü. Ve kuarklar arasındaki mesafe arttığında, aralarındaki kuvvet hızla artar ve o kadar güçlüdür ki, kuarklar nihayet çekirdek içinde "tutulur" - bu, asla bir kuark veya proton veya nötronun dışında bulamayacağınız anlamına gelir. Gluon'un nedeni.
Kuantum seviyesindeki güçlü etkileşim gücünü daha iyi anlamak için daha fazla bilgiye ihtiyacımız var. Örneğin, atom dünyasında sadece atomlar arasındaki etkileşimi anladığımız için değil, aynı zamanda bu temel parçalarda ortaya çıkan fenomeni hatırı sayılır bir anlayışa sahip olduğumuz için de hakim olabiliriz. Atomlar ve elektromanyetik moleküler biyolojinin temelidir, ancak yalnızca bu bilgiye dayanarak moleküler biyoloji kuramayız. Önemli buluş, araştırmacıların DNA'nın çift sarmal yapısını keşfetmesidir. Kuark-gluonların anlaşılmasında ilerleme kaydetmek için tek yapmamız gereken çekirdeğin içini gözlemlemek.
Çekirdek deneyinin içine göz atın
20. yüzyılın başında fizikçiler atomları X ışını kırınımı kullanarak "görmenin" bir yolunu keşfettiler. Bilim adamları numuneyi bir X-ışını demeti ile ışınlayarak ve ardından malzemeden geçerken ürettikleri girişim modellerini inceleyerek atomların kafes yapısını görebilirler. Bu teknolojinin başarısının nedeni, X ışınlarının dalga boyunun bir atomun çapına yakın olması ve nanometre düzeyinde atom ölçeğini tespit etmemize olanak sağlamasıdır. Aynı şekilde, fizikçiler kuarkları ilk kez 50 yıl önceki elektron-proton çarpışma deneyinde görmüşler. Bu çarpışma süreci denir. Derin esnek olmayan saçılma (DIS).
Bu yöntemde, elektron protondan (veya nötron, atom çekirdeğinden) geri döner ve proton ile bir değiştirir. Sanal foton . Sanal fotonlar tam anlamıyla gerçek değildir - parçacık etkileşimini yöneten kuantum mekaniğine göre, havadan görünüp hemen kaybolurlar. Elektron zıpladığında enerjiyi ve açıyı dikkatlice ölçerek, çarptığı nesne hakkında bilgi edinebiliriz.
DIS deneyinde, sanal fotonların dalga boyu, proton çapı ölçeğine eşdeğer olan femtometre (10-15 metre) düzenindedir. Çarpışma sürecinin enerjisi ne kadar yüksekse, değiş tokuş edilen sanal fotonların dalga boyu o kadar kısadır ve Dalga boyu ne kadar kısa olursa, "prob" o kadar ince ve konumlandırma o kadar hassas . Dalga boyu yeterince kısaysa, elektron esasen protondaki kuark veya gluondan geri dönüyor (protonun tamamından sekmek yerine), böylece protonun iç yapısı görülebilir.
İlk DIS deneyi Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (şimdi adı SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı olarak değiştirildi) gerçekleştirildi Deney 1968'de kuarkların varlığını doğrulayan ilk kanıtı sağladı ve deney lideri 1990'da bu sözü kazandı. Bell Fizik Ödülü. Benzer deneyler, serbest proton ve nötronların içindeki kuarkların ve çekirdekteki proton ve nötronların içindeki kuarkların doğası gereği çok farklı olduğunu buldu. Ayrıca deneysel bulgular da var, Protonların ve nötronların dönüşleri, onları oluşturan kuarkların dönüşlerinden gelmez. Bu gerçek bilim adamlarını şaşırttı, çünkü başlangıçta protonlar üzerinde keşfedildi, bu yüzden " Proton spin krizi ".
İlk DIS çarpıştırıcısı (yani, elektronların ve protonların çarpmadan önce hızlandırıldığı bir makine), Alman Elektron Senkrotron Araştırma Merkezi'nin (DESY) Hadron-Elektron Dairesel Hızlandırıcısıdır (HERA). Çarpıştırıcı 1992'den 2007'ye kadar çalıştı. HERA deneyi, protonların ve nötronların eskiden düşündüğümüz gibi olmadığını, ancak üç kuarkın basitçe bir araya getirildiğini gösteriyor. Aslında, onlar bir "partikül çorbası" kabıdır. İçeride ortaya çıkan ve kaybolan çok sayıda kuark ve gluon vardır. . HERA, nükleer yapı anlayışımızı önemli ölçüde geliştirdi, ancak "dönüş krizini" çözemez. Dahası, bu hızlandırıcının bir nükleer ışını olmadığı için çekirdekteki kuarkların ve gluonların davranışını inceleyemez.
Parçacık davranışını bu ölçekte gözlemlemek çok karmaşık, çünkü esas olarak kuantum mekaniğinin kendisinde bazı tuhaflıklar var. Kuantum mekaniği, atom altı parçacıkları bir olasılık sisi olarak tanımlar: belirli bir zamanda ve yerde sabit bir durumda bulunmazlar. Aksine, kuarkları şu şekilde anlamalıyız: aynı anda sonsuz kuantum hallerinde var olurlar. Dahası, kuantum mekaniğindeki dolanıklık olgusunu da göz önünde bulundurmalıyız. Kuantum dolaşıklığı, nükleer ölçekte fiziksel süreçleri gözlemlemede temel bir engel oluşturabilir, çünkü gözlemlemek istediğimiz kuarklar ve gluonlar, onları gözlemlemek için kullandığımız sondaların, DIS deneyinde dolaşık bir durumda olma olasılığına sahiptir. Kullanılan prob sanal fotondur. Gözlemlerimiz onu nasıl tespit ettiğimize bağlı olduğunda, nükleer yapı dediğimiz şeyi tanımlamak imkansız görünüyor.
Neyse ki 1970'lerde QCD teorisi, bilim insanlarının DIS deneyindeki sonda ve hedefin ayrılabileceğini fark etmelerine izin verecek kadar ilerleme kaydetti - bu durum Faktorizasyon . Yeterince yüksek enerjide, bilim adamları aslında bazı durumlarda kuantum dolanma etkisini görmezden gelebilir - protonların yapısını tek bir boyutta tanımlamak için yeterlidir. Bu, herhangi bir kuarkın tüm protona belirli bir momentum oranına (proton yönündeki boylamsal momentum) katkıda bulunma olasılığını ölçmek için DIS deneyini kullanabilecekleri anlamına gelir.
Son teorik gelişmeler, nükleonun iç yapısını artık tek bir boyutla sınırlı kalmadan, yalnızca tüm çekirdeğe ne kadar uzunlamasına momentum kuarkları ve gluonların katkıda bulunduğunu değil, aynı zamanda nükleona bir yandan diğer yana ne kadar uzunlamasına momentum kattıklarını daha ayrıntılı açıklamamıza izin verdi. Bir tarafta hareket.
Ancak ABM'nin ortaya çıkmasıyla gerçek ilerleme sağlanacaktır.
Elektron iyon çarpıştırıcısı
EIC bir tane yapacak Çekirdeğin iç kısmının 3B haritası . Bu çarpıştırıcıyı, kuarkların ve gluonların konumunu ve momentumunu ve ayrıca bunların nükleonların genel kütlesine ve dönüşüne katkılarını ölçmek için kullanmayı umuyoruz.
Önceki DIS deneyleriyle karşılaştırıldığında, EIC'nin en önemli ilerlemesi, parlaklık :Örneğin, HERA'dan dakikada 100 ~ 1000 kat daha fazla partikül çarpışmasına sahiptir. Ek olarak, EIC üzerindeki çarpışma ışınının enerjisi, protonun çapının yalnızca yüzde birkaçının uzunluğunu ayırt etmeye yetecek kadar yüksektir, bu da protonun boylamsal momentumunun yaklaşık% 0,01'ini taşıyan çok sayıda kuark ve gluon varlığını incelememize izin verir. EIC ayrıca, kuarklar ve gluonların QCD etkileşiminden proton spinlerinin nasıl üretildiğini inceleyebilmemiz için kirişteki parçacık dönüşlerinin yönünü kontrol etmemize izin verir. EIC'nin ölçümünü çağdaş teorik çerçeveye dahil ederek, kuarklar ve gluonlar tarafından tasvir edilen protonların gerçek bir üç boyutlu görüntüsünü bile oluşturabiliriz.
EIC üzerindeki ölçüm, bir protonun ilk gerçek 3D fotoğrafını almamızı sağlar. (Resim kaynağı: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı)
Keşfetmek istediğimiz birçok sorumuz var. Örneğin, protonun içindeki bileşen parçacıkları eşit bir şekilde dağılmış mı yoksa kümelenmiş mi? Bazı bileşenler protonlara diğerlerinden daha fazla kütle ve dönüş katıyor mu? Protonlar ve nötronlar çekirdek oluşturmak için birleştiklerinde kuarklar ve gluonlar nasıl bir rol oynar? Mevcut deneysel tesisler bu sorunları femto-metre ölçeğinde keşfetmeye yeni başladı ve EIC, tam bir cevap bulmamızı sağlayacak ilk makinedir.
Nükleer yapı anlayışımızın büyük bir sorusu var: Çekirdekleri çok küçük ölçekte tespit etmek için çok ince bir sonda kullandığımızda ne olur? Bu durumda tuhaf bir şey olur. QCD teorisi, tespit ettiğiniz enerji ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla gluon bulunacağını öngörür. Kuarklar gluonları yayabilir ve bu gluonlar daha fazla gluon yayarak zincirleme reaksiyona neden olur. Garip bir şekilde, bu gluon radyasyonuna neden olan ölçüm davranışı değil, kuantum mekaniğinin tuhaf doğasıdır. Kuantum mekaniği bize daha yakından baktığınızda protonların içinde farklı gördüğünüzü söyler - gluonlar daha çok olur.
Ama bunun tam bir cevap olamayacağını biliyoruz, çünkü bu maddenin sonsuza kadar arttığı anlamına geliyor - başka bir deyişle, yeterince yakından gözlemlerseniz, atomun sonsuz sayıda gluonu olacaktır. HERA dahil, önceki çarpıştırıcılar Gluonların "doymuş" bir durumu vardır . Bu durumda, protonlar daha fazla gluon tutamazlar ve bazı gluonlar büyümeyi dengelemek için birleşmeye başlar. Ancak fizikçiler doygunluk durumunu hiçbir zaman kesin olarak tespit etmediler ve oluşması için gereken eşiği bilmiyoruz. Bazı hesaplamalar, gluonların doygunluğunun yeni bir madde durumu oluşturduğunu gösteriyor: " Renkli cam yoğunlaştırılmış madde "Örneğin, gluonların enerji yoğunluğu bir nötron yıldızı içindeki enerji yoğunluğunun 50-100 katına ulaşabilir. Olası en yüksek gluon yoğunluğu değerini elde etmek için EIC, bu büyüleyici fenomeni tespit etmek ve dikkatlice incelemek için protonları ağır çekirdeklerle değiştirecektir. .
EIC oluşturmak için iki seçenek
Bu yeni çarpıştırıcıyı inşa etme planı, ABD nükleer bilim topluluğunun en son (2015) uzun vadeli planlama toplantısından ve ABD Enerji Bakanlığı'nın onayından güçlü destek kazandı. 2017'de ABD Enerji Bakanlığı, ABD Bilimler, Mühendislik ve Tıp Akademisi'nden (NAS) EIC'nin bağımsız bir değerlendirmesini yapmasını istedi. Temmuz 2018'de, NAS komitesi EIC projesinin temel, gerekli ve zamanında olduğu sonucuna vardı.
Bu makineyi yapmanın iki olası yolu vardır. Bir yol Brookhaven'ın RHIC'sini yükseltmektir. ERHIC adı verilen bu proje, RHICnin mevcut hızlandırıcı tüneline bir elektron ışını ekleyecek ve elektron ışınının iki farklı yerde RHICnin mevcut iyon ışınıyla çarpışmasına izin verecek.
Başka bir seçenek de Jefferson Laboratuvarı'nın Sürekli Elektron Işını Hızlandırıcı Tesisi'nde (CEBAF) elektron ışını kullanmaktır. Bu proje Jefferson Laboratuvarı EIC (JLEIC) olarak adlandırılıyor ve CEBAF'ın elektron ışını, yan taraftaki yeni bir çarpıştırıcı tüneline yönlendirilecek.
CEBAF halka tüpünde elektron ışını hızlandırıldığında, bu mavi çift kutuplu mıknatıslar elektron ışınının yönünü kontrol etmekten sorumludur.
Bu cihazların her ikisi de QCD teorisini anlamamızda büyük bir sıçrama yapabilir ve nihayet çekirdeğin ve çekirdeğin iç kısmının görsel bir modelini verebilir. Her ikisi de bilim adamlarının nükleon spini, kütle ve bizi hala rahatsız eden diğer özelliklerin sorunlarını çözmelerine izin verebilir. Ve herhangi bir cihaz, altın, kurşun ve uranyum gibi ağır çekirdekler de dahil olmak üzere her tür atom çekirdeği ile çarpışma yeteneğine sahiptir, böylece çekirdek daha büyük bir atom çekirdeğinin içindeyken kuarkların ve gluonların dağılımını inceleyebiliriz. Çeşitlilik. Örneğin, bazı gluonların üst üste gelmeye başlayıp başlamadığını ve iki farklı proton tarafından "paylaşılıp paylaşılmadığını" bilmek istiyoruz.
Femi teknolojisi?
21. yüzyılda atomun boyutu teknolojimizi sınırlayan bir faktördür. Büyük atılımların yokluğunda, 10 nanometre (atom çapının yaklaşık 100 katı), yapabileceğimiz en küçük elektronik cihazın boyutu olabilir, bu da geleneksel bilgi işlem gücünün son 50 yıldaki ilerleme hızını korumasının olası olmadığını gösteriyor.
Ancak çekirdeğin ölçeği ve iç yapısı bundan bir milyon kat daha küçüktür. Bu mikrokozmosu kontrol eden güçlü etkileşim kuvveti, bugün elektronik cihazların kullandığı elektromanyetik kuvvetten 60 kat daha güçlüdür - aslında, evrendeki en güçlü kuvvettir. Kuarkları ve gluonları manipüle etmek için bir "femi teknolojisi" yaratmak mümkün müdür? Bir dereceye kadar, bu teknoloji mevcut nanoteknolojiden bir milyon kat daha güçlü olacak. Elbette bu rüya uzak geleceğe dair bir spekülasyondur. Ancak bu hedefe ulaşmak için önce kuarkların ve gluonların kuantum dünyasını derinlemesine anlamalıyız.
QCD teorisini tam olarak anlamak için daha fazla veriye ihtiyacımız var Dünyada halihazırda planlanan deneysel cihazlar arasında sadece ABM bu tür verileri sağlayabilir. Ancak ABM'yi inşa etmek zorluklardan uzak değildir. Proje, yüksek parlaklıkta, yüksek odaklanmış elektron ışınları, proton ışınları ve diğer atom çekirdeği ışınları sağlamalı ve bu ışınlar, HERA çarpıştırıcısından dakikada 100 ila 1000 kat daha fazla elde edebilmek için geniş bir enerji aralığına ulaşabilmelidir. Çarpışmalardan. Spin araştırması ayrıca makinelerin oldukça homojen bir dönüş yönüne sahip bir parçacık demeti sağlamasını gerektirir ve spin yönü ayarlanabilir ve manipüle edilebilir. Bu problemleri çözmek için inovasyon gerekiyor ve bu inovasyonların hızlandırıcı bilimini değiştirmesi bekleniyor ki bu sadece nükleer fiziğe değil, aynı zamanda tıp, malzeme bilimi ve parçacık fiziğine de fayda sağlayacak.
Yazar:
Abui Deshpande, Stony Brook'taki New York Eyalet Üniversitesi'nde fizik profesörü ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda Geleceğin Elektron İyon Çarpıştırıcısı (EIC) Bilim Departmanı'nın direktörüdür.
Kaynak: Universal Science
