Nové objevy mohou vysvětlovat matoucí asymetrii v protonu

Grafické znázornění protonu. Velké koule představují tři valenční kvarky, malé koule představují ostatní kvarky, které tvoří proton, a pružiny představují jadernou sílu, která je drží pohromadě. Fotografický kredit: Brookhaven National Laboratory

Asymetrie v protonu matou fyziky, ale nový objev může přivést zpět staré teorie k jejich vysvětlení.

Symetrie – v oblastech od matematiky a umění po živé organismy a galaxie – je důležitou základní strukturou v přírodě. Charakterizuje náš vesmír a umožňuje mu studovat a porozumět mu.

Protože symetrie je v přírodě tak všudypřítomným tématem, fyzici jsou zvláště zaujatí, když se objekt jeví jako symetrický, ale není. Když se vědci potýkají s těmito rozbitými symetriemi, je to, jako by našli objekt s podivným odrazem v zrcadle.

„Příroda je průkopníkem konceptů ve starších protonových modelech, aby se na ně mohla podívat znovu.“ – Argonský fyzik Don Geesaman

Proton, kladně nabitá částice, která existuje ve středu každého atomukazuje asymetrii ve svém složení. Fyzici z Argonne National Laboratory (DOE) amerického ministerstva energetiky a jejich zaměstnanci nedávno prozkoumali složitost této známé zlomené symetrie pomocí experimentu provedeného v laboratoři Fermiho národního urychlovače DOE. Výsledky experimentu by mohly odložit výzkum protonu oživením dříve vyřazených teorií o jeho vnitřním fungování.

Výsledek tohoto experimentu odporuje závěru studie z konce 90. let, která byla rovněž provedena ve Fermilab. Vědci nyní mohou přehodnotit teorie popisující asymetrii protonu, která byla vyloučena starým experimentem.

Pochopení vlastností protonu pomáhá fyzikům zodpovědět některé z nejzákladnějších otázek celé vědy. Při studiu toho nejlepšího světa řídí vědci technologii, kterou používáme každý den. Studie protonu vedly k vývoji protonové terapie pro léčbu rakoviny, měření protonového záření během cestování vesmírem a dokonce k porozumění vzniku hvězd a raného vesmíru.

„Dokázali jsme studovat záhadnou dynamiku uvnitř protonu,“ řekl argonský fyzik Don Geesaman. „Prostřednictvím tohoto experimentu vytvořila příroda průkopnické koncepty ve starších protonových modelech, aby získala druhý pohled.“

Neshoda hmoty

Stejně jako tvary mohou mít symetrii, mohou mít i částice. Dokonalý kruh se skládá ze dvou půlkruhů stejné velikosti směřujících v opačných směrech a každý typ částice ve vesmíru má antičástice stejné hmotnosti s opačným elektrickým nábojem.

Zařízení protonové asymetrie

Obrázek přístroje použitého v experimentu. Protonové paprsky procházejí každou z uvedených vrstev. Fotografický kredit: Fermi National Accelerator Laboratory

Stavební kameny protonu zahrnují částice zvané kvarky a jejich antičástice zvané antikvary. Přicházejí v „příchutích“, jako je nahoru, dolů, anti-nahoru a anti-dolů. Kvarky a antikvarky jsou v protonu navzájem spojeny silnou jadernou silou. Síla této síly může z ničeho ničit dvojice kvarků a antikvarků a tyto dvojice existují krátce, než se navzájem zničí. Toto „moře“ kvarků a antikvarků vznikajících v existenci i mimo ni je v protonu všudypřítomné.

Kupodivu, v každém okamžiku existují tři další kvarky než antikvarky: dva další kvarky nahoru než kvarky proti vzestupu a jeden další kvark dolů než kvarky proti sestupu Jinými slovy, tyto neodpovídající kvarky nemají protějšky antihmoty. Tato asymetrie je důvodem, proč jsou protony kladně nabité a umožňují atomům – a tedy celé hmotě – existovat.

„Stále máme neúplné znalosti o kvarkech v protonu a o tom, jak vedou k vlastnostem protonu,“ řekl Paul Reimer, fyzik Argonne ze studie. „Díky těkavé povaze párů kvark-antikvark je jejich přítomnost v protonech obtížně vyšetřitelná, ale v tomto experimentu jsme objevili vyhlazení antikvarků, což nám dalo nahlédnout do asymetrie.“

Drell-Yan Alpha

Grafika kvarků, které ničí (levé červené čáry), produkují jeden foton (střední čára) a produkují dva miony (pravé purpurové čáry). Vědci objevili tyto miony, aby získali přehled o kvarkové asymetrii protonu. Fotografický kredit: Paul Reimer / Argonne National Laboratory

Experiment ukázal, že proton vždy obsahuje více anti-down kvarků než anti-up kvarků, bez ohledu na impulsy kvarků. Význam tohoto výsledku je v rozporu se závěrem experimentu Fermilab koncem 90. let, který naznačil, že asymetrie protonu se obrací při vysokých impulsech, což znamená, že anti-kvarky začínají obracet anti-down Dominantní kvarky .

„Navrhli jsme nový experiment, abychom prozkoumali tyto vysoké impulsy a zjistili, zda k této změně skutečně dochází,“ řekl Reimer. „Ukázali jsme, že existuje plynulá asymetrie, při níž není vztah mezi anti-up a anti-down kvarky obrácen.“

Rekonstrukce zničení

Vědci studovali kvarky a antikvarky v protonu a vystřelili paprsky protonů na cíle a studovali důsledky srážek částic. Zejména zkoumali, co se stane, když proton z paprsku zasáhne proton v cíli.

Při srážce protonů se kvarky a antikvary protonů navzájem ničí. Pak z vyhlazení vycházejí dvě nové základní částice, které se nazývají miony a působí jako podpis interakce. Z těchto interakcí vědci určili poměr anti-up kvarků k anti-down kvarkům v rozsahu vysokých impulsů.

„Rozhodli jsme se měřit miony, protože mohou procházet materiálem lépe než většina ostatních kolizních fragmentů,“ řekl Reimer. Tým umístil mezi metry a jejich měřicí zařízení pět metrů silnou železnou zeď, aby zabránil průchodu dalších částic a zakryl jejich signály.

Když miony zasáhly měřicí zařízení na konci své cesty, vědci rekonstruovali kvarko-antikvarkové anihilace z měření, aby potvrdili rovnoměrný poměr anti-kvarků proti kvarku.

Druhý pohled

„To, co jsme viděli v předchozím experimentu, se neděje,“ řekl Geesaman, který byl součástí současných i předchozích studií. „Ale proč? To je další krok.“

Teorie odmítnuté po rozporu s výsledky předchozího experimentu nyní poskytují vynikající popis nových dat a vědci se na ně mohou na základě tohoto experimentu dívat znovu s větší jistotou. Tyto teorie poskytnou další experimenty s asymetrií v protonech a jiných částicích a rozšíří naše chápání teorie o kvarkech.

Odkazy na povahu kvarků v protonu nakonec vedou k lepšímu pochopení atomového jádra. Pochopení jádra může demystifikovat vlastnosti atomu a to, jak různé chemické prvky reagují navzájem. Výzkum protonů se dotýká oblastí, jako je chemie, astronomie, kosmologie a biologie, a vede k pokroku v medicíně, vědě o materiálech a dalších.

„K vedení myšlenek a zúžení teorie jsou zapotřebí experimenty, a právě zde jsme hledali přírodu, která by nám poskytla pohled na dynamiku protonu,“ řekl Geesaman. „Jedná se o prokládaný cyklus experimentu a teorie, který vede k efektivnímu výzkumu.“

Odkaz: „Asymetrie antihmoty v protonu“ 24. února 2021, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03282-z

Práce provedla SeaQuest Collaboration, kterou částečně podporuje Úřad pro jadernou fyziku DOE a Národní vědecká nadace.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Tající ledové listy způsobují, že hladiny moře vzrostou až na 18 metrů

Je dobře známo, že zvýšení hladiny moře způsobené klimatem je hlavní hrozbou. Nový výzkum zjistil, že předchozí události ztráty ledu by mohly způsobit...

Sledujte teplo a hledejte stopy k planetární evoluci

Kosmická loď NASA Galileo zachytila ​​Jupiterův měsíc Io, třetí největší satelit na Zemi, podstupující sopečnou erupci. Zkroucená oběžná dráha Io ji vrhá do neustálého...

Viry bez chřipky mají onemocnění podobné chřipce a úmrtnost

Non-chřipkové respirační virové infekce (NIRV) jsou spojeny s chřipkovými chorobami a úmrtností u hospitalizovaných dospělých, podle nové studie v CMAJ (Journal of Canadian Medical...

V období křídy se Severní Amerikou potulovalo 2,5 miliardy T. Rexes

Analýza toho, co je o dinosaurovi známo, vede k závěru, že jich bylo v průběhu času 2,5 miliardy. Jako mnoho Tyrannosaurů se Rexes potuloval v...

Vědci vizualizují pohyb vírů v kvantové supratekuté turbulenci

Obrázek ukazuje kvantové vírové trubice, které podléhají zjevné superdifúzi. Bílé tečky představují zachycené částice, které vědci sledovali, aby vizualizovali a sledovali pohyb trubic,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.