Neutronstjärnor är bland de tätaste kända objekten i universum, motstå tryck så stora att en tesked av en stjärnas material skulle vara ungefär 15 gånger månens vikt. Men som det visar sig, protoner – de fundamentala partiklarna som utgör det mesta av den synliga materien i universum – innehåller ännu högre tryck.

För första gången, MIT-fysiker har beräknat en protons tryckfördelning, och fann att partikeln innehåller en högtryckskärna som, på sin mest intensiva punkt, genererar större tryck än vad som finns inuti en neutronstjärna.

Denna kärna trycker ut från protonens centrum, medan den omgivande regionen trycker inåt. (Föreställ dig en baseboll som försöker expandera inuti en fotboll som kollapsar.) De konkurrerande trycken verkar för att stabilisera protonens övergripande struktur.

Fysikernas resultat, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev , representerar första gången som forskare har beräknat en protons tryckfördelning genom att ta hänsyn till bidragen från både kvarkar och gluoner, protonens grundläggande, subnukleära beståndsdelar.

"Tryck är en grundläggande aspekt av protonen som vi vet väldigt lite om för tillfället, " säger huvudförfattaren Phiala Shanahan, biträdande professor i fysik vid MIT. "Nu har vi funnit att kvarkar och gluoner i mitten av protonen genererar ett betydande tryck utåt, och vidare till kanterna, det finns ett begränsande tryck. Med detta resultat, vi kör mot en komplett bild av protonens struktur."

Shanahan genomförde studien med medförfattaren William Detmold, docent i fysik vid MIT.

Anmärkningsvärda kvarkar

I maj 2018, fysiker vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility meddelade att de hade mätt protonens tryckfördelning för första gången, med hjälp av en elektronstråle som de sköt mot ett mål gjord av väte. Elektronerna interagerade med kvarkar inuti protonerna i målet. Fysikerna bestämde sedan tryckfördelningen genom protonen, baserat på det sätt på vilket elektronerna spreds från målet. Deras resultat visade ett högtryckscentrum i protonen som vid sin punkt med högsta tryck mätte cirka 10 ³⁵ pascals, eller 10 gånger trycket inuti en neutronstjärna.

Dock, Shanahan säger att deras bild av protonens tryck var ofullständig.

"De hittade ett ganska anmärkningsvärt resultat, "Säger Shanahan. "Men det resultatet var föremål för ett antal viktiga antaganden som var nödvändiga på grund av vår ofullständiga förståelse."

Specifikt, forskarna baserade sina tryckuppskattningar på interaktionen mellan en protons kvarkar, men inte dess gluoner. Protoner består av både kvarkar och gluoner, som kontinuerligt interagerar på ett dynamiskt och fluktuerande sätt inuti protonen. Jefferson Lab-teamet kunde bara fastställa bidragen från kvarkar med sin detektor, vilket Shanahan säger utelämnar en stor del av en protons tryckbidrag.

"Under de senaste 60 åren, vi har byggt upp en ganska bra förståelse för kvarkars roll i protonens struktur, " säger hon. "Men gluonstrukturen är långt, mycket svårare att förstå eftersom det är notoriskt svårt att mäta eller beräkna."

Ett gluonskifte

Istället för att mäta en protons tryck med hjälp av partikelacceleratorer, Shanahan och Detmold försökte inkludera gluonernas roll genom att använda superdatorer för att beräkna interaktionerna mellan kvarkar och gluoner som bidrar till en protons tryck.

"Inuti en proton, det finns ett bubblande kvantvakuum av par av kvarkar och antikvarkar, såväl som gluoner, dyker upp och försvinner, "Säger Shanahan. "Våra beräkningar inkluderar alla dessa dynamiska fluktuationer."

Att göra detta, teamet använde en teknik inom fysik som kallas gitter QCD, för kvantkromodynamik, som är en uppsättning ekvationer som beskriver den starka kraften, en av de tre grundläggande krafterna i standardmodellen för partikelfysik. (De andra två är den svaga och elektromagnetiska kraften.) Den starka kraften är det som binder kvarkar och gluoner för att i slutändan göra en proton.

Gitter QCD-beräkningar använder ett fyrdimensionellt rutnät, eller galler, av punkter för att representera de tre dimensionerna av rymd och en av tid. Forskarna beräknade trycket inuti protonen med hjälp av ekvationerna för Quantum Chromodynamik som definieras på gittret.

"Det är enormt beräkningskrävande, så vi använder de kraftfullaste superdatorerna i världen för att göra dessa beräkningar, " förklarar Shanahan.

Teamet tillbringade cirka 18 månader med att köra olika konfigurationer av kvarkar och gluoner genom flera olika superdatorer, bestämde sedan medeltrycket vid varje punkt från mitten av protonen, ut till dess kant.

Jämfört med resultaten från Jefferson Lab, Shanahan och Detmold fann att, genom att inkludera bidraget från gluoner, tryckfördelningen i protonen förändrades avsevärt.

"Vi har tittat på gluonens bidrag till tryckfördelningen för första gången, och vi kan verkligen se att i förhållande till de tidigare resultaten har toppen blivit starkare, och tryckfördelningen sträcker sig längre från protonens centrum, " säger Shanahan.

Med andra ord, det verkar som att det högsta trycket i protonen är runt 10 ³⁵ pascals, eller 10 gånger så stor som en neutronstjärna, liknande vad forskare vid Jefferson Lab rapporterade. Det omgivande lågtrycksområdet sträcker sig längre än tidigare beräknat.

Att bekräfta dessa nya beräkningar kommer att kräva mycket kraftfullare detektorer, som Electron-Ion Collider, en föreslagen partikelaccelerator som fysiker vill använda för att undersöka de inre strukturerna hos protoner och neutroner, mer detaljerat än någonsin tidigare, inklusive gluoner.

"Vi är i början av att kvantitativt förstå gluonernas roll i en proton, " säger Shanahan. "Genom att kombinera det experimentellt uppmätta kvarkbidraget, med vår nya beräkning av gluonbiten, vi har den första kompletta bilden av protonens tryck, vilket är en förutsägelse som kan testas vid den nya kollideren under de kommande 10 åren."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.