Pralenktos net neutroninės žvaigždės: išmatavo, koks beprotiškas slėgis protono viduje - kaip jis nesusprogsta?

Nacionalinės T. Jeffersono laboratorijos mokslininkai, panaudodami virtualų Komptono išsklaidymą, „nuskenavo“ protono vidų ir remdamiesi šiais duomenimis, apskaičiavo partonų pasiskirstymo funkciją ir vieną iš trijų gravitacinių formfaktorių, o taip pat įvertino slėgį dalelės viduje. Paaiškėjo, kad slėgis protono viduje siekia 10³⁵ paskalių, kas viršija slėgį paties tankiausio Visatos objekto – neutroninės žvaigždės – viduje. Straipsnis publikuotas Nature žurnale.

Protonai yra sudėtinė atomo branduolio dalis ir sudaro didžiąją dalį mums įprastos materijos, tačiau patys jie nėra elementariosios dalelės.Kiekvienas protonas sudarytas iš smulkesnių dalelių (kvarkų), kuriuos riša stipriąją sąveiką perduodantys ( gliuonai). Kai energija didelė, ir kvarkai ir gliuonai elgiasi kaip atskiros dalelės (partonai ) — kitaip tariant, jeigu protoną įgreitinsime iki beveik šviesos greičio ir sudaušim su elektronu, paaiškės, kad elektronai nuo protono išsisklaido ne kaip nuo vienos „vientisos“ dalelės, o sąveikauja su kiekvienu partonu atskirai.

Tačiau kvarkai negali egzistuoti kaip laisvos dalelės, jie būtinai susiburia į hadronus (protonas irgi yra vienas iš hadronų) dėl spalvos konfainmento. Paprasčiau tariant, kvarkus hadrono viduje galima įsivaizduoti kaip kamuoliukus, surištus gijomis (ar vamzdeliais), kuriuose sutelktas pagrindinis stipriosios sąveikos srautas. Kai kvarkai vienas nuo kito pakankamai nutolsta, gija trūksta ir trūkio vietoje susidaro kvarko-antikvarko pora, iš karto susirišanti su pradinėmis dalelėmis. Tuo tarpu, kuo kvarkai arčiau vienas kito, tuo silpniau jie sąveikauja dėl asimptotinės laisvės. Ši savybę skiria stipriąją sąveiką nuo visų kitų fundamentaliųjų sąveikų, kurios, mažėjant atstumui, tik stiprėja.

Norėdami „skenuoti“ vidinę protono struktūrą, fizikai sudaužia juos su kitomis įgreitintomis dalelėmis, matuoja jų išsisklaidymo laipsnį ir impulsus, o taip pat sąveikos skerspjūvius. Tam patogiausia naudoti giliai virtualų Komptono išsklaidymą (deeply virtual Compton scattering, DVCS). Įprasta Komptono sklaida — tiesiog šviesos atspindėjimas, tai yra, standi fotonų sklaida nuo dalelės. Proceso standumas reiškia, kad bendra veikiančių dalelių kinetinė energija išlieka pastovi. Vykstant tokiam procesui, protonas elgiasi vientisa esybė, nes fotono energijos nepakanka įsiskverbti jo vidun. Tačiau atliekant DVCS, vietoje įprastų fotonų naudojami virtualūs fotonai, atsirandantys iš sąveikos su į protoną lekiančiu didelės energijos elektronu. Tokio fotono energija būna labai didelė, ir sklaidydamasis jis „apčiuopia“ atskirus kvarkus, o paskui virsta įprastu fotonu. Toks procesas vyksta nedažnai, bet kadangi susidūrimų labai daug, reikiamą statistiką galima surinkti . Anksčiau fizikai jau panaudojo DVCS, tyrinėdami vidinę protono struktūrą.