Tyngdkraften är skriven stor över vårt synliga universum. Det kan ses i månarnas låssteg när de kretsar runt planeter; i vandrande kometer som dras ur kursen av massiva stjärnor; och i virveln av gigantiska galaxer. Dessa fantastiska displayer visar gravitationens inflytande på de största skalorna av materia. Nu upptäcker kärnfysiker att gravitationen också har mycket att erbjuda i materiens minsta skala.
Ny forskning utförd av kärnfysiker vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility använder en metod som kopplar teorier om gravitation till interaktioner mellan de minsta partiklarna av materia för att avslöja nya detaljer i denna mindre skala. Forskningen har nu avslöjat, för första gången, en ögonblicksbild av fördelningen av den starka kraften inuti protonen. Denna ögonblicksbild beskriver skjuvspänningen som kraften kan utöva på kvarkpartiklarna som utgör protonen. Resultatet publicerades nyligen i Reviews of Modern Physics .
Enligt huvudförfattaren till studien, Jefferson Labs rektor Volker Burkert, avslöjar mätningen insikt i miljön som protonens byggstenar upplever. Protoner är byggda av tre kvarkar som är sammanbundna av den starka kraften.
"På sin topp är detta mer än en fyra tons kraft som man skulle behöva applicera på en kvark för att dra ut den ur protonen," förklarade Burkert. "Naturen tillåter oss naturligtvis inte att separera bara en kvark från protonen på grund av en egenskap hos kvarkar som kallas "färg". Det finns tre färger som blandar kvarkar i protonen för att få den att se färglös ut från utsidan, ett krav för dess existens i rymden.
"Att försöka dra ut en färgad kvarg ur protonen kommer att producera ett färglöst kvark/antikvark-par, en meson, som använder energin du lägger in för att försöka separera kvarken och lämnar en färglös proton (eller neutron) bakom sig. Så, 4-ton är en illustration av styrkan hos den kraft som är inneboende i protonen."
Resultatet är bara den andra av protonens mekaniska egenskaper som ska mätas. Protonens mekaniska egenskaper inkluderar dess inre tryck, dess massfördelning (fysisk storlek), dess rörelsemängd och dess skjuvspänning. Resultatet möjliggjordes av en halvsekel gammal förutsägelse och två decennium gamla data.
I mitten av 1960-talet ansågs det att om kärnfysiker kunde se hur gravitationen interagerar med subatomära partiklar, såsom protonen, skulle sådana experiment kunna avslöja protonens mekaniska egenskaper direkt.
"Men på den tiden fanns det inget sätt. Om du jämför gravitation med den elektromagnetiska kraften, till exempel, finns det 39 storleksordningar av skillnader - så det är helt hopplöst, eller hur?" förklarade Latifa Elouadhriri, en anställd forskare vid Jefferson Lab och medförfattare till studien.
De årtionden gamla data kom från experiment som utförts med Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE Office of Science-användaranläggning. Ett typiskt CEBAF-experiment skulle innebära att en energisk elektron interagerar med en annan partikel genom att byta ut ett energipaket och en rörelsemängdsenhet som kallas en virtuell foton med partikeln. Elektrons energi dikterar vilka partiklar den interagerar med på detta sätt och hur de reagerar.
I experimentet applicerades en kraft som till och med var mycket större än de fyra ton som behövdes för att dra ut ett kvark/antikvark-par på protonen av den mycket energiska elektronstrålen som interagerar med protonen i ett mål av flytande vätgas.
"Vi utvecklade programmet för att studera djupt virtuell Compton-spridning. Det är här du har en elektron som byter ut en virtuell foton med protonen. Och i sluttillståndet förblev protonen densamma men rekylerade, och du har en riktig mycket energisk foton produceras, plus den spridda elektronen," sa Elouadhriri. "När vi tog data var vi inte medvetna om att vi, utöver den 3-dimensionella bildåtergivningen vi avsåg med dessa data, också samlade in de data som behövdes för att komma åt protonens mekaniska egenskaper."
Det visar sig att denna specifika process - djupt virtuell Compton-spridning (DVCS) - kan kopplas till hur gravitationen interagerar med materia. Den allmänna versionen av detta samband anges i 1973 års lärobok om Einsteins allmänna relativitetsteori med titeln "Gravitation" av Charles W. Misner, Kip S. Thorne och John Archibald Wheeler.
I den skrev de, "Varje massalöst spin-2-fält skulle ge upphov till en kraft som inte kan skiljas från gravitation, eftersom ett masslöst spin-2-fält skulle kopplas till spännings-energitensorn på samma sätt som gravitationsinteraktioner gör ."
Tre decennier senare följde teoretikern Maxim Polyakov upp denna idé genom att etablera den teoretiska grunden som förbinder DVCS-processen och gravitationsinteraktionen.
"Det här genombrottet i teorin fastställde sambandet mellan mätningen av djupt virtuell Compton-spridning och gravitationsformfaktorn. Och vi kunde använda det för första gången och extrahera trycket som vi gjorde i Naturen papper 2018, och nu normalkraften och skjuvkraften," förklarade Burkert.
En mer detaljerad beskrivning av sambanden mellan DVCS-processen och gravitationsinteraktionen finns i den här artikeln som beskriver det första resultatet från denna forskning.
Forskarna säger att deras nästa steg är att arbeta med att extrahera den information de behöver från befintliga DVCS-data för att möjliggöra den första bestämningen av protonens mekaniska storlek. De hoppas också kunna dra nytta av nyare experiment med högre statistik och högre energi som fortsätter DVCS-forskningen i protonen.
Under tiden har studiemedförfattarna blivit förvånade över mängden nya teoretiska ansträngningar, detaljerade i hundratals teoretiska publikationer, som har börjat utnyttja denna nyupptäckta väg för att utforska protonens mekaniska egenskaper.
"Och även nu när vi är inne i denna nya era av upptäckter med 2023 års långdistansplan för kärnvetenskap som nyligen släpptes. Detta kommer att vara en viktig pelare i vetenskapens riktning med nya anläggningar och nya detektorutvecklingar. Vi ser fram emot att se mer av vad som kan göras," sa Burkert.
Elouadhriri håller med.
"Och enligt min åsikt är detta bara början på något mycket större att komma. Det har redan förändrat vårt sätt att tänka på protonens struktur", sa hon.
"Nu kan vi uttrycka strukturen hos subnukleära partiklar i termer av krafter, tryck och fysiska storlekar som även icke-fysiker kan relatera till," tillade Burkert.
Mer information: V. D. Burkert et al, Colloquium:Gravitational form factors of the proton, Reviews of Modern Physics (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002
Journalinformation: Recensioner av modern fysik , Natur
Tillhandahålls av Thomas Jefferson National Accelerator Facility
