Kredit:Thomas Jefferson National Accelerator Facility
Mycket väsen gjordes om Higgs-bosonen när denna svårfångade partikel upptäcktes 2012. Även om den ansågs ge vanlig materiamassa, genererar interaktioner med Higgsfältet bara cirka 1 procent av den vanliga massan. De övriga 99 procenten kommer från fenomen som är förknippade med den starka kraften, den grundläggande kraften som binder mindre partiklar som kallas kvarkar till större partiklar som kallas protoner och neutroner som utgör kärnan i atomerna i vanlig materia.
Nu har forskare vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility experimentellt tagit fram styrkan hos den starka kraften, en kvantitet som bestämt stödjer teorier som förklarar hur det mesta av massan eller vanlig materia i universum genereras.
Denna kvantitet, känd som kopplingen av den starka kraften, beskriver hur starkt två kroppar interagerar eller "kopplar ihop" under denna kraft. Stark kraftkoppling varierar med avståndet mellan de partiklar som påverkas av kraften. Före denna forskning var teorierna oense om hur stark kraftkoppling skulle bete sig på stort avstånd:vissa förutspådde att den skulle växa med avståndet, vissa att den skulle minska och vissa att den skulle bli konstant.
Med Jefferson Lab-data kunde fysikerna bestämma den starka kraftkopplingen på de största avstånden hittills. Deras resultat, som ger experimentellt stöd för teoretiska förutsägelser, visades nyligen på omslaget till tidskriften Particles .
"Vi är glada och glada över att se vår insats bli erkänd", säger Jian-Ping Chen, senior forskare vid Jefferson Lab och medförfattare till tidningen.
Även om detta dokument är kulmen på år av datainsamling och analys, var det inte helt avsiktligt till en början.
En spinoff av ett snurrexperiment
Vid mindre avstånd mellan kvarkar är stark kraftkoppling liten, och fysiker kan lösa det med en standard iterativ metod. På större avstånd blir dock stark kraftkoppling så stor att den iterativa metoden inte fungerar längre.
"Detta är både en förbannelse och en välsignelse", säger Alexandre Deur, en stabsforskare vid Jefferson Lab och medförfattare till tidningen. "Medan vi måste använda mer komplicerade tekniker för att beräkna denna kvantitet, släpper dess rena värde lös en mängd mycket viktiga framväxande fenomen."
Detta inkluderar en mekanism som står för 99 procent av den vanliga massan i universum. (Men vi kommer till det om ett tag.)
Trots utmaningen att inte kunna använda den iterativa metoden, utvann Deur, Chen och deras medförfattare stark kraftkoppling på de största avstånden mellan drabbade kroppar någonsin.
De extraherade detta värde från en handfull Jefferson Lab-experiment som faktiskt var designade för att studera något helt annat:proton- och neutronspin.
Dessa experiment utfördes i labbets Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE-användaranläggning. CEBAF kan tillhandahålla polariserade elektronstrålar, som kan riktas mot specialiserade mål som innehåller polariserade protoner och neutroner i experimenthallarna. När en elektronstråle är polariserad betyder det att majoriteten av elektronerna alla snurrar i samma riktning.
Dessa experiment sköt Jefferson Labs polariserade elektronstråle mot polariserade proton- eller neutronmål. Under flera år av dataanalys efteråt insåg forskarna att de kunde kombinera information som samlats in om protonen och neutronen för att extrahera stark kraftkoppling på större avstånd.
"Endast Jefferson Labs högpresterande polariserade elektronstråle, i kombination med utvecklingen av polariserade mål och detektionssystem, gjorde det möjligt för oss att få sådana data," sa Chen.
De fann att när avståndet ökar mellan drabbade kroppar, växer stark kraftkoppling snabbt innan den planar ut och blir konstant.
"Det finns några teorier som förutspådde att så skulle vara fallet, men det här är första gången experimentellt som vi faktiskt såg det här," sa Chen. "Detta ger oss detaljer om hur den starka kraften, i skalan av kvarkar som bildar protoner och neutroner, faktiskt fungerar."
Utjämning stöder massiva teorier
Dessa experiment utfördes för cirka 10 år sedan, när Jefferson Labs elektronstråle kunde ge elektroner med upp till 6 GeV i energi (den kan nu upp till 12 GeV). Elektronstrålen med lägre energi krävdes för att undersöka den starka kraften på dessa större avstånd:en sond med lägre energi ger tillgång till längre tidsskalor och därför större avstånd mellan påverkade partiklar.
På samma sätt är en sond med högre energi nödvändig för att zooma in för vyer av kortare tidsskalor och mindre avstånd mellan partiklar. Laboratorier med strålar med högre energi, såsom CERN, Fermi National Accelerator Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory, har redan undersökt stark kraftkoppling på dessa mindre rumstidsskalor, när detta värde är relativt litet.
Den inzoomade vyn som erbjuds av strålar med högre energi har visat att massan av en kvark är liten, bara några få MeV. Det är åtminstone deras läroboksmässa. Men när kvarkar sonderas med lägre energi, växer deras massa effektivt till 300 MeV.
Detta beror på att kvarkarna samlar ett moln av gluoner, partikeln som bär den starka kraften, när de rör sig över större avstånd. Den massgenererande effekten av detta moln står för det mesta av massan i universum - utan denna extra massa kan lärobokens massa av kvarkar bara stå för cirka 1% av massan av protoner och neutroner. Övriga 99% kommer från denna förvärvade massa.
På liknande sätt hävdar en teori att gluoner är masslösa på korta avstånd men att de i praktiken får massa när de reser längre. Utjämningen av stark kraftkoppling på stora avstånd stödjer denna teori.
"Om gluoner förblev masslösa på långa avstånd, skulle stark kraftkoppling fortsätta växa okontrollerat," sa Deur. "Våra mätningar visar att stark kraftkoppling blir konstant när avståndet som sonderas blir större, vilket är ett tecken på att gluoner har fått massa genom samma mekanism som ger 99% av massan till protonen och neutronen."
Detta betyder att stark kraftkoppling på stora avstånd är viktig för att förstå denna massgenereringsmekanism. Dessa resultat hjälper också till att verifiera nya sätt att lösa ekvationer för kvantkromodynamik (QCD), den accepterade teorin som beskriver den starka kraften.
Till exempel ger utplattningen av den starka kraftkopplingen på stora avstånd bevis på att fysiker kan tillämpa en ny, banbrytande teknik som kallas Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) dualitet. AdS/CFT-tekniken tillåter fysiker att lösa ekvationer icke-iterativt, vilket kan hjälpa till med starka kraftberäkningar på stora avstånd där iterativa metoder misslyckas.
Det konforma i "Conformal Field Theory" betyder att tekniken är baserad på en teori som beter sig likadant på alla rumstidsskalor. Eftersom stark kraftkoppling planar ut vid större avstånd är den inte längre beroende av rumtidsskala, vilket innebär att den starka kraften är konform och AdS/CFT kan appliceras. Medan teoretiker redan har tillämpat AdS/CFT på QCD, stöder dessa data användningen av tekniken.
"AdS/CFT har gjort det möjligt för oss att lösa problem med QCD eller kvantgravitation som hittills varit svårlösta eller åtgärdats väldigt grovt med hjälp av inte särskilt rigorösa modeller," sa Deur. "Detta har gett många spännande insikter i fundamental fysik."
Så även om dessa resultat genererades av experimentalister, påverkar de teoretiker mest.
"Jag tror att dessa resultat är ett verkligt genombrott för utvecklingen av kvantkromodynamik och hadronfysik", säger Stanley Brodsky, emeritusprofessor vid SLAC National Accelerator Laboratory och en QCD-teoretiker. "Jag gratulerar Jefferson Labs fysikgemenskap, särskilt Dr. Alexandre Deur, för detta stora framsteg inom fysik."
År har gått sedan experimenten som av misstag bar dessa resultat utfördes. En helt ny uppsättning experiment använder nu Jefferson Labs 12 GeV-stråle med högre energi för att utforska kärnfysik.
"En sak som jag är väldigt glad över med alla dessa äldre experiment är att vi utbildade många unga elever och de har nu blivit ledare för framtida experiment," sa Chen.
Bara tiden kommer att utvisa vilka teorier dessa nya experiment stödjer. + Utforska vidare
