Protonens kvarkstruktur. Det finns två upp-kvarkar i den och en ner-kvark. Den starka kraften förmedlas av gluoner (vågiga). Den starka kraften har tre typer av laddningar, den så kallade röda, gröna och den blå. Observera att valet av grönt för dunkvarken är godtyckligt; "färgladdningen" är tänkt att cirkulera bland de tre kvarkarna. Kredit:Arpad Horvath/Wikipedia
Försök att föreställa dig en proton – den lilla, positivt laddade partikeln i en atomkärna – och du kan föreställa dig ett välbekant läroboksdiagram:ett knippe biljardbollar som representerar kvarkar och gluoner. Från den solida sfärmodell som först föreslogs av John Dalton 1803 till kvantmodellen som lades fram av Erwin Schrödinger 1926, finns det en historisk tidslinje av fysiker som försöker visualisera det osynliga.
Nu har MIT-professorn i fysik Richard Milner, Jefferson Laboratory-fysikerna Rolf Ent och Rik Yoshida, MIT-dokumentärfilmarna Chris Boebel och Joe McMaster, och Sputnik Animations James LaPlante gått ihop för att skildra den subatomära världen på ett nytt sätt. Presenterad av MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) och Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" är en originalanimation av protonen, avsedd för användning i gymnasieklassrum. Ent och Milner presenterade animationen i bidragsföreläsningar vid American Physics Societys aprilmöte och delade den även vid ett community-event arrangerat av MIT Open Space Programming den 20 april. Förutom animeringen, en kort dokumentärfilm om samarbetsprocessen pågår.
Det är ett projekt som Milner och Ent har tänkt på sedan åtminstone 2004 när Frank Wilczek, Herman Feshbach professor i fysik vid MIT, delade en animation i sin Nobelföreläsning om kvantkromodynamik (QCD), en teori som förutsäger existensen av gluoner i protonen. "Det finns en enormt stark MIT-härstamning till ämnet", påpekar Milner och hänvisar också till 1990 års Nobelpris i fysik, som tilldelades Jerome Friedman och Henry Kendall från MIT och Richard Taylor från SLAC National Accelerator Laboratory för deras banbrytande forskning som bekräftar existensen av kvarkar.
Till att börja med trodde fysikerna att animering skulle vara ett effektivt medium för att förklara vetenskapen bakom Electron Ion Collider, en ny partikelaccelerator från U.S. Department of Energy Office of Science - som många MIT-fakulteten, inklusive Milner, såväl som kollegor som Ent , har länge förespråkat. Dessutom är fortfarande renderingar av protonen i sig begränsade, oförmögna att avbilda kvarkars och gluoners rörelse. "Väsentliga delar av fysiken involverar animation, färg, partiklar som förintas och försvinner, kvantmekanik, relativitetsteori. Det är nästan omöjligt att förmedla detta utan animation", säger Milner.
2017 introducerades Milner för Boebel och McMaster, som i sin tur drog ombord LaPlante. Milner "hade en intuition att en visualisering av deras kollektiva arbete skulle vara riktigt, riktigt värdefullt", minns Boebel om projektets början. De ansökte om ett CAST-fakultetsbidrag och teamets idé började väckas.
"CAST Urvalskommittén var fascinerad av utmaningen och såg det som en underbar möjlighet att lyfta fram processen som är involverad i att göra animeringen av protonen såväl som själva animeringen", säger Leila Kinney, verkställande direktör för konstinitiativ och för CAST. "Sann konst-vetenskap-samarbete är mer komplext än vetenskapskommunikation eller vetenskapsvisualiseringsprojekt. De innebär att sammanföra olika, lika sofistikerade sätt att göra kreativa upptäckter och tolkningsbeslut. Det är viktigt att förstå de möjligheter, begränsningar och val som redan finns inbäddade i visuell teknik vald för att visualisera protonen. Vi hoppas att människor kommer iväg med bättre förståelse för visuell tolkning som ett sätt för kritisk undersökning och kunskapsproduktion, såväl som fysik."
Boebel och McMaster filmade processen att skapa en sådan visuell tolkning bakom kulisserna. "Det är alltid utmanande när man samlar människor som verkligen är experter i världsklass, men från olika världar, och ber dem prata om något tekniskt", säger McMaster om teamets ansträngningar att producera något både vetenskapligt korrekt och visuellt tilltalande. "Deras entusiasm är verkligen smittsam."
I februari 2020 välkomnade animatören LaPlante forskarna och filmskaparna till sin studio i Maine för att dela sin första idé. Även om förståelsen av kvantfysikens värld utgjorde en unik utmaning, förklarar han, "En av fördelarna jag har är att jag inte kommer från en vetenskaplig bakgrund. Mitt mål är alltid att linda huvudet runt vetenskapen och sedan lista ut, "OK, ja, hur ser det ut?""
Gluoner har till exempel beskrivits som fjädrar, resårer och vakuum. LaPlante föreställde sig partikeln, tänkt att hålla kvarkar tillsammans, som en balja med slem. Om du stoppar in din stängda näve och försöker öppna den skapar du ett vakuum av luft, vilket gör det svårare att öppna näven eftersom det omgivande materialet vill rulla in den.
LaPlante blev också inspirerad att använda sin 3D-mjukvara för att "frysa tiden" och flyga runt en orörlig proton, bara för fysikerna att informera honom om att en sådan tolkning var felaktig baserat på befintliga data. Partikelacceleratorer kan bara detektera en tvådimensionell skiva. Faktum är att tredimensionell data är något som forskare hoppas kunna fånga i nästa steg av experiment. De hade alla stött på samma vägg – och samma fråga – trots att de närmade sig ämnet på helt olika sätt.
"Min konst handlar egentligen om tydlig kommunikation och att försöka få komplex vetenskap till något som är förståeligt", säger LaPlante. Ungefär som inom vetenskapen är det ofta det första steget i hans konstnärliga process att göra fel. Men hans första försök med animeringen var en hit hos fysikerna, och de förfinade ivrigt projektet över Zoom.
"Det finns två grundläggande rattar som experimentalister kan sätta på när vi sprider en elektron från en proton med hög energi", förklarar Milner, ungefär som rumslig upplösning och slutarhastighet i fotografering. "Dessa kameravariabler har direkta analogier i det matematiska språket hos fysiker som beskriver denna spridning."
När "exponeringstiden" eller Bjorken-X, som i QCD är den fysiska tolkningen av den del av protonens rörelsemängd som bärs av en kvark eller gluon, sänks, ser du protonen som ett nästan oändligt antal gluoner och kvarkar som rör sig mycket snabbt. Om Bjorken-X höjs, ser du tre blobbar, eller Valence-kvarkar, i rött, blått och grönt. När rumslig upplösning ställs in går protonen från att vara ett sfäriskt objekt till ett pannkakat objekt.
"Vi tror att vi har uppfunnit ett nytt verktyg", säger Milner. "Det finns grundläggande vetenskapliga frågor:Hur är gluonerna fördelade i en proton? Är de enhetliga? Är de klumpade? Vi vet inte. Det här är grundläggande, grundläggande frågor som vi kan animera. Vi tror att det är ett verktyg för kommunikation, förståelse , och vetenskaplig diskussion.
"Det här är början. Jag hoppas att folk ser det runt om i världen och att de blir inspirerade." + Utforska vidare
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
