Asymmetri i protonen förvirrar fysiker, men en ny upptäckt kan föra tillbaka gamla teorier för att förklara det.

Symmetri – visas inom områden som sträcker sig från matematik och konst, till levande organismer och galaxer — är en viktig underliggande struktur i naturen. Det kännetecknar vårt universum och gör det möjligt att studera och förstå det.

Eftersom symmetri är ett så genomgående tema i naturen, fysiker är särskilt fascinerade när ett objekt verkar som om det ska vara symmetriskt, men det är det inte. När forskare konfronteras med dessa trasiga symmetrier, det är som om de har hittat ett föremål med en konstig reflektion i spegeln.

protonen, en positivt laddad partikel som finns i mitten av varje atom, visar asymmetri i sin makeup. Fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och deras medarbetare undersökte nyligen inveckligheterna med denna kända trasiga symmetri genom ett experiment som utförts vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory. Resultaten av experimentet kan förändra forskningen av protonen genom att återuppliva tidigare kasserade teorier om dess inre funktion.

Resultatet av detta experiment motsäger slutsatsen av en studie från slutet av 90-talet, uppträdde även på Fermilab. Forskare kan nu återbesöka teorier för att beskriva asymmetri i protonen som uteslöts av det gamla experimentet.

Att förstå protonens egenskaper hjälper fysiker att svara på några av de mest grundläggande frågorna inom all vetenskap, och genom att undersöka världen på minsta nivå, forskare utvecklar teknik vi använder varje dag. Studier av protonen har lett till utvecklingen av protonterapi för cancerbehandling, mätning av protonstrålning under rymdresor och till och med förståelse för stjärnbildning och det tidiga universum.

"Vi kunde titta på den förbryllande dynamiken i protonen, " sa Argonne-fysikern Don Geesaman, "och genom detta experiment, naturen leder vägen för koncept i äldre modeller av protonen för att få en andra look."

Felaktig materia

Precis som former kan ha symmetri, partiklar kan, för. En perfekt cirkel består av två halvcirklar av samma storlek som vetter motsatta riktningar, och varje typ av partikel i universum har en antipartikel av samma massa med motsatt elektrisk laddning.

Protonens byggstenar inkluderar partiklar som kallas kvarkar, och deras antipartiklar, kallas antikvarkar. De kommer i "smaker", som upp, ner, anti-up och anti-down. Kvarkar och antikvarkar är sammanbundna inuti protonen av en stark kärnkraft. Styrkan hos denna kraft kan dra par av kvarkar och antikvarkar ur ingenting, och dessa par existerar en kort tid innan de utplånar varandra. Detta "hav" av kvarkar och antikvarkar som dyker in och ut ur existensen är ständigt närvarande inuti protonen.

Nyfiket, när som helst, det finns tre kvarkar mer än antikvarkar:två fler kvarkar än anti-uppkvarkar, och en mer dunkvarkar än anti-dunkvarkar. Med andra ord, dessa felaktiga kvarker har inga antimateria -motsvarigheter. Denna asymmetri är orsaken till att protoner är positivt laddade, tillåta atomer – och därför all materia – att existera.

"Vi har fortfarande en ofullständig förståelse av kvarkar i en proton och hur de ger upphov till protonens egenskaper, sade Paul Reimer, en Argonne-fysiker på studien. "Den flyktiga karaktären hos kvarka-antikvarkparen gör deras närvaro i protonerna svår att studera, men i detta experiment, vi upptäckte förintelsen av antikvarkarna, som gav oss insikt i asymmetrin."

Experimentet fastställde att det alltid finns fler anti-down-kvarkar i protonen än anti-up-kvarkar, oavsett kvarkarnas momentum. Betydelsen av detta resultat är dess motsägelse med slutsatsen av Fermilab-experimentet i slutet av 90-talet, vilket antydde att vid hög fart, protonens asymmetri vänder, vilket betyder att anti-up-kvarkar börjar dominera anti-down-kvarkar.

"Vi designade det nya experimentet för att titta på dessa höga momentum för att avgöra om denna förändring verkligen inträffar, ", sa Reimer. "Vi visade att det finns en jämn asymmetri utan att vända på förhållandet mellan anti-upp- och anti-down-kvarkar."

Rekonstruerar förintelsen

För att undersöka kvarkar och antikvarkar i protonen, forskarna sköt strålar av protoner mot mål och studerade efterdyningarna av partikelkollisionerna. Specifikt, de studerade vad som händer efter att en proton från strålen träffar en proton i målet.

När protoner kolliderar, kvarkar och antikvarkar från protonerna utplånar varandra. Sedan, två nya fundamentala partiklar som kallas myoner kommer ut ur förintelsen, fungerar som interaktionens signatur. Från dessa interaktioner, forskarna fastställde förhållandet mellan anti-up-kvarkar och anti-down-kvarkar vid en rad höga momentum.

"Vi valde att mäta myoner eftersom de kan passera genom material bättre än de flesta andra kollisionsfragment, "sa Reimer. Mellan målen och deras mätinstrument, laget placerade en fem meter tjock järnvägg för att hindra andra partiklar från att passera och grumla deras signaler.

När myonerna träffar mätenheterna i slutet av sin resa, forskarna rekonstruerade kvarka-antikvarkförintelserna från mätningarna, gör det möjligt för dem att bekräfta det smidiga, konsekvent förhållande mellan anti-upp-kvarkar och anti-down-kvarkar.

En andra titt

"Det vi trodde att vi såg i det föregående experimentet är inte vad som händer, sade Geesaman, som ingick i både nuvarande och tidigare studier. "Varför, fastän? Det är nästa steg."

Teorier som förkastades efter att de motsatte sig det tidigare experimentets resultat ger nu en bra beskrivning av de nya data, och forskare kan återbesöka dem med större självförtroende på grund av detta experiment. Dessa teorier kommer att informera om ytterligare experiment om asymmetri i protonen och andra partiklar, till vår förståelse av teorin kring kvarker.

Ledtrådar om karaktären hos kvarkar i protonen leder i slutändan till bättre förståelse av atomkärnan. Att förstå kärnan kan avmystifiera atomens egenskaper och hur olika kemiska element reagerar med varandra. Protonforskning berör områden inklusive kemi, astronomi, kosmologi och biologi, leder till framsteg inom medicin, materialvetenskap med mera.

"Du behöver experiment för att leda tankesättet och begränsa teorin, och här, vi letade efter naturen för att ge oss insikt i protonens dynamik, " sade Geesaman. "Det är en sammanflätad cykel av experiment och teori som leder till effektfull forskning."

Ett papper om studien, "Antimaterias asymmetri i protonen", publicerades i Natur den 24 feb.