Ett mysterium angående protonernas struktur är ett steg närmare att lösas, tack vare ett sjuårigt experiment ledd av forskare vid MIT.

Under många år har forskare undersökt strukturen hos protoner – subatomära partiklar med positiv laddning – genom att bombardera dem med elektroner och undersöka intensiteten hos de spridda elektronerna i olika vinklar.

På så sätt har man försökt fastställa hur protonens elektriska laddning och magnetisering är fördelad. Dessa experiment hade tidigare fått forskare att anta att de elektriska och magnetiska laddningsfördelningarna är desamma, och att en foton – en elementär ljuspartikel – byts ut när protonerna interagerar med de bombarderande elektronerna.

Dock, i början av 2000-talet, forskare började utföra experiment med polariserade elektronstrålar, som mäter elektron-protonelastisk spridning med hjälp av protonernas och elektronernas spinn. Dessa experiment visade att förhållandet mellan elektrisk och magnetisk laddningsfördelning minskade dramatiskt med högre energiinteraktioner mellan elektronerna och protonerna.

Detta ledde till teorin att inte en utan två fotoner ibland utbyttes under interaktionen, orsakar den ojämna laddningsfördelningen. Vad mer, teorin förutspådde att båda dessa partiklar skulle vara så kallade "hårda, " eller högenergifotoner.

I ett försök att identifiera detta "tvåfotonutbyte, "ett internationellt team ledd av forskare vid Laboratory for Nuclear Science vid MIT genomförde ett sjuårigt experiment, känd som OLYMPUS, vid den tyska elektronsynkrotronen (DESY) i Hamburg.

I en artikel publicerad i veckan i tidningen Fysiska granskningsbrev , forskarna avslöjar resultaten av detta experiment, som indikerar att två fotoner verkligen byts ut under elektron-proton-interaktioner.

Dock, till skillnad från de teoretiska förutsägelserna, analys av OLYMPUS-mätningarna tyder på att, för det mesta, bara en av fotonerna har hög energi, medan den andra verkligen måste bära väldigt lite energi, enligt Richard Milner, en professor i fysik och medlem av Laboratory for Nuclear Science's Hadronic Physics Group, som ledde experimentet.

"Vi såg få om inga bevis för ett hårt tvåfotonutbyte, " säger Milner.

Efter att ha föreslagit idén till experimentet i slutet av 2000-talet, gruppen tilldelades finansiering 2010.

Forskarna var tvungna att plocka isär den före detta BLAST-spektrometern - en komplex 125 kubikmeter stor detektor baserad på MIT - och transportera den till Tyskland, där den återmonterades med vissa förbättringar. De genomförde sedan experimentet under tre månader 2012, innan själva partikelacceleratorn vid laboratoriet togs ur drift och stängdes av i slutet av det året.

Experimentet, som genomfördes samtidigt som två andra i USA och Ryssland, involverade att bombardera protonerna med både negativt laddade elektroner och positivt laddade positroner, och jämföra skillnaden mellan de två interaktionerna, enligt Douglas Hasell, en huvudforskare vid Laboratory for Nuclear Science och Hadronic Physics Group vid MIT, och en annan av tidningens författare.

Processen kommer att producera en subtilt annorlunda mätning beroende på om protonerna är spridda av elektroner eller positroner, säger Hasell. "Om du ser en skillnad (i måtten), det skulle indikera att det finns en tvåfotoneffekt som är signifikant."

Kollisionerna pågick i tre månader, och de resulterande uppgifterna tog ytterligare tre år att analysera, säger Hasell.

Skillnaden mellan de teoretiska och experimentella resultaten innebär att ytterligare experiment kan behöva utföras i framtiden, vid ännu högre energier där tvåfotonutbyteseffekten förväntas vara större, säger Hasell.

Det kan visa sig vara svårt att uppnå samma precisionsnivå som uppnåddes i OLYMPUS-experimentet, dock.

"Vi körde experimentet i tre månader och gjorde mycket exakta mätningar, " säger han. "Du skulle behöva springa i flera år för att få samma nivå av precision, såvida inte prestandan (av experimentet) kunde förbättras."

Inom den närmaste framtiden, forskarna planerar att se hur det teoretiska fysiksamhället reagerar på data, innan de bestämmer sig för nästa steg, säger Hasell.

"Det kan vara så att de kan göra en liten justering av en detalj i sina teoretiska modeller för att få det hela överens, och förklara data vid både högre och lägre energier, " han säger.

"Då blir det upp till experimentalisterna att kontrollera om det håller för att vara fallet."