Medan protoner befolkar kärnan i varje atom i universum, ibland kan de klämmas in i en mindre storlek och glida ut ur kärnan för en lek på egen hand. Att observera dessa klämda protoner kan ge unika insikter om partiklarna som bygger vårt universum.

Nu, forskare som letar efter dessa klämda protoner vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility har kommit upp tomhänta, vilket tyder på att fenomenet ligger mer bakom än man först trodde. Resultatet publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

"Vi letade efter att klämma ihop protonen så att dess kvarkar är i en liten konfiguration. Och det är en ganska svår sak att göra, " sa Holly Szumila-Vance, en anställd forskare vid Jefferson Lab.

Protoner är gjorda av tre kvarkar bundna av den starka kraften. I en vanlig proton, den starka kraften är så stark att den läcker ut, gör att protonen fastnar vid andra protoner och neutroner runt den i kärnan. Det är enligt kvantkromodynamiken, eller QCD, teorin som beskriver hur kvarkar och den starka kraften samverkar. I QCD, den starka kraften kallas också för färgkraften.

Dock, QCD förutspår också att protonen kan klämmas så att kvarkarna blir tätare sammansvetsade - i huvudsak lindar sig själva så hårt i färgkraften att den inte längre läcker ut ur protonen. När det händer, protonen fastnar inte längre vid andra partiklar och kan röra sig fritt genom kärnan. Detta fenomen kallas "färgtransparens, " sedan protonen har blivit osynlig för färgkraften hos partiklarna runt den.

"Det är en grundläggande förutsägelse av kvantkromodynamik, teorin som beskriver dessa partiklar, " förklarade Szumila-Vance.

Ett tidigare experiment visade färgtransparens i enklare partiklar gjorda av kvarkar som kallas pioner. Där protoner har tre kvarkar, pioner har bara två. Dessutom, ett annat experiment utfört med protoner hade också föreslagit att protoner också kan uppvisa färgtransparens vid energier som ligger inom räckhåll för den nyligen uppgraderade anläggningen vid Jefferson Lab.

"Vi förväntade oss att hitta protonerna klämda precis som pionerna, " sa Dipangkar Dutta, en professor vid Mississippi State University och en talesman för experimentet. "Men vi gick till högre och högre energier och hittar dem fortfarande inte."

Experimentet var ett av de första som kördes i Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en användaranläggning för DOE Office of Science, efter dess 12 GeV-uppgradering. I experimentet, kärnfysikerna riktade högenergielektroner från CEBAF in i kärnorna av kolatomer. De mätte sedan de utgående elektronerna och eventuella protoner som kom ut.

"Det här var ett spännande experiment att vara en del av. Det var det första experimentet som kördes i experimenthall C efter att vi uppgraderat hallen för 12 GeV-körning, ", sa Szumila-Vance. "Dessa var de protoner med högsta momentum som uppmätts vid Jefferson Lab, och de protoner med högsta momentum som någonsin producerats genom elektronspridning."

"Vid de energier vi sonderar, protonen decimeras vanligtvis, och du tittar på skräpet av protonen, Dutta förklarade. "Men i vårt fall, vi vill att protonen ska förbli en proton, och det enda sättet att det kan hända är om kvarkarna typ klämmer ihop, håll varandra mycket hårdare så att de kan fly tillsammans från kärnan."

Medan kärnfysikerna observerade flera tusen protoner i experimentet, de hittade inte de kontrollanta tecknen på färgtransparens i de nya uppgifterna.

"Jag tror att detta säger oss att protonen är mer komplicerad än vi förväntade oss, ", sade Szumila-Vance. "Detta är en grundläggande förutsägelse av teorin. Vi vet att det måste existera vid någon hög energi, men jag vet bara inte ännu var det kommer att hända."

Forskarna sa att nästa steg är att bättre förstå fenomenet i enklare partiklar där det redan har observerats, så att förbättrade förutsägelser kan göras för mer komplexa partiklar, såsom protoner.