Inuti varje proton i varje atom i universum finns en tryckkokarmiljö som överträffar atomkrossande hjärta hos en neutronstjärna. Det är enligt den första mätningen av en mekanisk egenskap hos subatomära partiklar, tryckfördelningen inuti protonen, som utfördes av forskare vid Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Kärnfysikerna fann att protonens byggstenar, kvarkerna, utsätts för ett tryck på 100 decillion Pascal (10 ³⁵ ) nära mitten av en proton, vilket är cirka 10 gånger större än trycket i en neutronstjärns hjärta. Resultatet publicerades nyligen i tidningen Natur .

"Vi hittade ett extremt högt utåtriktat tryck från mitten av protonen, och ett mycket lägre och mer utökat inåtriktat tryck nära protonens periferi, "förklarar Volker Burkert, Jefferson Lab Hall B Leader och en medförfattare på tidningen.

Burkert säger att fördelningen av tryck inuti protonen dikteras av den starka kraften, kraften som binder samman tre kvarkar för att bilda en proton.

"Våra resultat belyser också fördelningen av den starka kraften inuti protonen, "sa han." Vi tillhandahåller ett sätt att visualisera storleken och fördelningen av den starka kraften inuti protonen. Detta öppnar upp en helt ny riktning inom kärn- och partikelfysik som kan utforskas i framtiden. "

En gång ansågs omöjligt att få, denna mätning är resultatet av en smart parning av två teoretiska ramverk med befintlig data.

Först, det finns de generaliserade partonfördelningarna. GPD:er tillåter forskare att producera en 3D-bild av protonens struktur som undersöks av den elektromagnetiska kraften. Den andra är protonens gravitationella formfaktorer. Dessa formfaktorer beskriver vad protonens mekaniska struktur skulle vara om forskare kunde sondera protonen via gravitationskraften.

Teoretikern som utvecklade begreppet gravitationsformfaktorer 1966, Heinz Pagels, berömt observerade i tidningen som beskriver dem att det var "väldigt lite hopp om att lära sig något om den detaljerade mekaniska strukturen hos en partikel, på grund av den gravida interaktionens extrema svaghet. "

Nyligen teoretiskt arbete, dock, har kopplat GPD till gravitationella formfaktorer, så att resultaten från elektromagnetiska prober av protoner kan ersätta gravitationsprober.

"Det här är det fina. Du har den här kartan som du tror att du aldrig kommer att få, "sa Latifa Elouadrhiri, en Jefferson Lab-personalvetare och medförfattare på tidningen. "Men här är vi, fyller den med denna elektromagnetiska sond. "

Den elektromagnetiska sonden består av elektronstrålar som produceras av Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science User Facility. Dessa elektroner styrs in i atomkärnorna, där de interagerar elektromagnetiskt med kvarkarna inuti protoner via en process som kallas djupt virtuell Compton -spridning.

I DVCS -processen, en elektron kommer in i en proton och byter ut en virtuell foton med en kvark, överföra energi till kvark och proton. En kort tid senare, protonen frigör denna energi genom att avge en annan foton och fortsätter intakt. Denna process är analog med de beräkningar Pagels utförde för hur det skulle vara möjligt att sondera protonen gravitationsmässigt via en hypotetisk stråle av gravitoner. Jefferson Lab-forskarna kunde utnyttja en likhet mellan de välkända elektromagnetiska och hypotetiska gravitationsstudierna för att få sitt resultat.

"Det kommer en foton som kommer in och en foton kommer ut. Och fotonerna är båda spin-1. Det ger oss samma information som att utbyta en gravitonpartikel med spin-2, "säger Francois-Xavier Girod, en Jefferson Lab-personalvetare och medförfattare på tidningen. "Så nu, man kan i princip göra samma sak som vi har gjort i elektromagnetiska processer - men relativt gravitationella formfaktorer, som representerar protonens mekaniska struktur. "

Forskarna säger att nästa steg är att tillämpa tekniken på ännu mer exakta data som snart kommer att finnas tillgängliga för att minska osäkerheten i den aktuella analysen och börja arbeta för att avslöja andra mekaniska egenskaper hos den allestädes närvarande protonen, såsom de inre skjuvkrafterna och protonens mekaniska radie.