Protono viduje – „sudėtingiausia, ką galite įsivaizduoti“

Nors nuo tada, kai Ernestas Rutherfordas atrado teigiamo krūvio dalelę, esančią kiekviename atome praėjo daugiau nei šimtas metų, iki galo suprasti protono fizikams nepavyksta ligi šiol.

Mokykloje fizikos mokytojai apibūdina juos kaip vienalyčius teigiamo elektrinio krūvio kamuoliukus, — idealiai kompensuojančius aplink juos skraidančių elektronų neigiamą. Aukštosiose mokyklos studentai sužino, kad iš tiesų kamuoliukai susideda iš trijų elementariųjų dalelių – kvarkų. Bet dešimtmečiai tyrimų atvėrė gilesnę tiesą, kuri pernelyg keista, kad ją būtų galima visiškai apibūdinti žodžiais ar vaizdais.

„Tai yra sudėtingiausias dalykas kokį tik galite įsivaizduoti,“ sako Mike Williams, fizikas iš MIT. „Iš tiesų, netgi neįmanoma įsivaizduoti koks jis sudėtingas.“

Protonas yra kvantinės mechanikos objektas, egzistuojantis tikimybių migloje, kol konkrečią formą jam suteikia eksperimento jėgos. Ir tos formos drastiškai priklauso nuo to, kokį eksperimentai tyrėjai atlieka. Daugelio dalelės veidų sujungimu užsiėmė ne viena mokslininkų karta. „Mes vos pradedame suprasti šią sistemą kompleksiškai,“ sakė Richardas Milneris, branduolių fizikas iš MIT.

Paieškoms tęsiantis, randasi vis naujos protono paslaptys. Pernai rugpjūtį publikuota monumentali duomenų analizė protone aptiko pėdsakus žaviųjų kvarkų – sunkesnių už patį protoną dalelių.

Protonai „ne kartą statė žmones į vietą,“ sakė Williamsas. „Vos tik pamanai, kad, va, jau jį nutvėrei, jis iškrečia kokį nors netikėtumą.“

Neseniai Milneris kartu su Rolfu Entu iš Jefferson Lab, MIT filmų kūrėjais Chrisu Boebeliu ir Joe McMasteriu, bei animatoriumi Jamesu LaPlante, ėmėsi kurti animacijas, kuriose kompiliuojami šimtų eksperimentų su protonai rezultatai. Įtraukėme jų animaciją į savo bandymą atskleisti jo paslaptis.

Protono lukštenimas

Įrodymai, kad protonas nėra elementari dalelė, pasirodė Stanfordo linijinio greitintuvo centre (SLAC) 1967 metais. Ankstesniuose eksperimentuose turėjai apšaudė elektronais ir stebėjo, kaip jie atšoka kaip bilijardo kamuoliukai. Bet SLAC elektronams galėjo suteikti didesnę energiją ir tyrėjai išvydo, kad jie atšoka skirtingai. Elektronai į protoną trenkėsi pakankamai stipriai, kad jį sutrupintų — šis procesas vadinamas giliu neelastiniu išsklaidymu — ir atšoko nuo taškinių skeveldrų, vadinamų kvarkais. „Tai buvo pirmasis įrodymas, kad kvarkai iš tiesų egzistuoja,“ sakė Xiaochao Zheng, Virginijos valstijos universiteto fizikas.

Po SLAC atradimo, kuris 1990 metais buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija, protono tyrimai suintensyvėjo. Fizikai atliko šimtus sklaidymo eksperimentų. Jais tirti įvairūs objekto aspektai, keisdami protonų bombardavimo jėgą, ir pasirinkdami, kurias išsklaidytas daleles rinkti.

Naudodami aukštesnės energijos elektronus, fizikai gali tirti smulkesnius protono bruožus. Taip elektrono energija nustato maksimalią gilaus neelastinio išsklaidymo eksperimento raišką. Galingesni dalelių greitintuvai pateikia raiškesnį protono vaizdą.

Didesnės energijos greitintuvai taip pat pateikia platesnį susidūrimo pasekmių masyvą, iš kurio tyrėjai gali rinktis analizuoti skirtingus elektronų poaibius. Toks lankstumas padėjo suprasti kvarkus, kurie protono viduje blaškosi su skirtingu momento kiekiu.

Matuodami kiekvieno išsklaidyto elektrono energiją ir trajektoriją, tyrėjai gali matyti, ar jis atšoko, nusinešdamas didelę protono momento dalį, ar tik šiek tiek. Iš daugybės susidūrimų jie gali sudaryti savotišką surašymą — apibūdinantį, ar protono momentas yra sutelktas keliuose kvarkuose, ar pasiskirstęs tarp daugelio.

Netgi SLAC protono skaldymo susidūrimai pagal dabartinius standartus buvo švelnūs. Šiuose išsklaidymuose elektronai dažnai nukrypdavo taip, lyg susidurtų su kvarkais, pernešančiais po trečdalį viso protono momento. Šis atradimas atitiko Murray Gell-Mann ir George Zweig teoriją, kurioje 1964 metais buvo deklaruota, kad protoną sudaro trys kvarkai.

Gell-Mann ir Zweigo „kvarko modelis“ tebelieka elegantišku protono vaizdavimo būdu. Jame yra du „aukštyn“ kvarkai, turintys po +⅔ elektrinį krūvį ir vienas „žemyn“ su −⅓ krūviu, taip bendras protono krūvis tampa +1.

Šioje duomenimis pagrįstoje animacijoje blaškosi trys kvarkai.

MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation

Bet šis kvarko modelis yra pernelyg primityvus ir dėl to turintis rimtų trūkumų.

Pavyzdžiui, jis nepaaiškina protono sukinio, kampiniam momentui analogiškos kvantinės savybės. Protonas turi pusę sukinio vieneto, kaip ir kiekvienas jį sudarantis aukštyn ir žemyn kvarkas. Iš pradžių fizikai manė — skaičiavimuose pakartodami paprastą krūvio aritmetiką — dvi aukštyn kvarkų sukinio vieneto pusės minus pusė žemyn kvarko sukinio vieneto, viso protono sukinys turėtų būti lygus pusei vieneto. Bet 1988 metais Europos miuono sandarbis (European Muon Collaboration) pranešė, kad kvarko sukinių suma sudaro daug mažiau, nei pusę vieneto. Panašiai ir dviejų aukštyn kvarkų ir vieno žemyn kvarko masės tesudaro ~1％ bendros protono masės. Šie trūkumai fizikus įtikino galutinai: protonas yra daug daugiau nei trys kvarkai.

Daug daugiau, nei trys kvarkai

Vokietijoje, Hamburge nuo 1992 iki 2007 metų veikė Hadronų–elektronų žiedinis greitintuvas (Hadron-Electron Ring Accelerator – HERA), kuriame elektronai į protonus trenkdavosi maždaug tūkstantį kartų stipriau nei SLAC. HERA eksperimentuose fizikai galėjo rinkti elektronus, atšokusius nuo itin mažo sukinio kvarkų, kurie teturi 0,005％ protono viso momento. Ir juos aptikti pavyko: HERA elektronai atšoko nuo mažo momento kvarkų ir antikvarkų verpeto.

Rezultatai patvirtino sudėtingą ir neregėtą teoriją, kuri pakeitė Gell-Manno ir Zweigo kvarko modelį. Aštuntajame dešimtmetyje išvystyta teorija aprašė tarp kvarkų veikiančią „stipriąją sąveiką“. Teorijoje kvarkai aprašomi kaip susieti sąveiką pernešančiomis dalelėmis – gliuonais. Kiekvienas kvarkas ir kiekvienas gliuonas turi vienos iš trijų „spalvų“ – raudonos, žalios ir mėlynos – krūvį; šios spalvos krūvį turinčios dalelės natūraliai traukia viena kitą ir suformuoja grupę — tokią, kaip protonas — kurios spalvos susideda į neutralią baltą. Spalvotoji teorija pavadinta kvantine chromodinamika – QCD.

Pagal QCD, gliuonuose gali kilti momentiniai energijos padidėjimai. Ši energija gliuonus suskaldo į kvarkus ir antikvarkus — kiekvienas turi po mažą momento dalį — ir paskui pora anihiliuoja ir išnyksta. Būtent šią trumpai gyvuojančių gliuonų, kvarkų ir antikvarkų „jūrą“ dėl didesnio jautrumo mažą momentą turinčioms dalelėms pirmoji ir aptiko HERA.

Taip pat HERA a[tiko ir užuominas to, kaip protonai atrodytų galingesniuose greitintuvuose. Fizikams derinant HERA ieškoti mažesnio momento kvarkų, jų — atsirandančių iš gliuonų — buvo vis daugiau ir daugiau. Tokie rezultatai reiškė, kad dar didesnės energijos susidūrimuose protonas atrodytų kaip debesėlis, sudarytas praktiškai vien iš gliuonų.

Būtent tokią gliuonų kiaulpienę ir numato QCD. „HERA duomenys yra tiesioginis eksperimentinis įrodymas, kad QCD aprašo gamtą,“ sakė Milneris.

Bet saldi jaunos teorijos pergalė buvo su karčia piliule: nors HERA stebėtų ekstremaliuose susidūrimuose trumpai gyvuojančių kvarkų ir gliuonų šokį QCD aprašė gražiai, švelniu SLAC bombardavimu aptiktų trijų ilgalaikių kvarkų supratimui ši teorija bevertė.

QCD prognozes suprasti lengva tik tada, jeigu stiprioji sąveika yra santykinai silpna. O stiprioji sąveika susilpnėja tik tada, kai kvarkai yra ekstremaliai arti vienas kito, kaip būna trumai gyvuojančiose kvarko-antikvarko porose. Frankas Wilczekas, Davidas Grossas ir Davidas Politzeris šią svarbią QCD savybę aptiko 1973 metais, ir po 31 metų buvo apdovanoti Nobelio premija.

Bet švelnesniuose susidūrimuose, tokiuose, kokie vyko SLAC, kur protonai veikia lyg kvarkai, besilaikantys atokiau vienas nuo kito, šie kvarkai stumia vienas kitą pakankamai stipriai, kad skaičiavimai pagal QCD taptų nebeįmanomi. Taigi, tolesnio trijų kvarkų požiūrio į protoną demistifikavimo užduotis didžiąja dalimi teko eksperimentuotojams. („Skaitmeninius eksperimentus“, kai QCD prognozės simuliuojamos superkompiuteriais, atliekantys tyrėjai irgi svariai prisidėjo.) Ir šiame mažos raiškos vaizde fizikai vis teberanda siurprizus.

Žavingas naujas vaizdas

Neseniai komanda, vadovaujama Juan Rojo iš Nacionalinio subatominės fizikos instituto Nyderlanduose ir Amsterdamo VU universiteto, panaudodama mašininį mokymąsi, išanalizavo daugiau, nei 5 000 protonų susidūrimų nuotraukų, padarytų per pastaruosius 50 metų, išnagrinėjo kvarkų ir gliuonų judėjimą protono viduje, taip išvengdami teorinio spėliojimo.

Naujajame stebėjime panaudotas ir foninis vaizdų triukšmas, kurio tyrėjai anksčiau nepanaudojo. Santykinai minkštuose susidūrimuose, kur protonas vos praskeliamas, didžioji dalis momento buvo įprastuose trijuose kvarkuose: dviejuose aukštyn ir viename žemyn. Bet maža dalis momento atrodė esantis iš „žavingojo“ kvarko ir žavingojo antikvarko — milžiniškų elementariųjų dalelių, kiekviena kurių viso protono masę viršija daugiau nei trečdaliu.

Kartais protonas elgiasi kaip penkių kvarkų “molekulė”.

Trumpai gyvuojantys žavieji kvarkai dažnai pasirodo „kvarkų jūros“ protonų vaizde (turėdami pakankamai energijos, gliuonai gali skilti į bet kurį iš šešių skirtingų kvarkų tipų). Bet Rojo ir jo kolegų rezultatai rodo, kad žavingieji gali išsilaikyti ilgiau, tad aptinkami švelnesniais susidūrimais. Tokiuose susidūrimuose protonas atrodo kaip daugelio būsenų kvantinis mišinys, ar superpozicija: elektronas įprastai susiduria su trimis lengvais kvarkais. Bet retkarčiais pasitaiko retesnė penkių kvarkų „molekulė“, sudaryta iš aukštyn, žemyn ir žaviojo kvarko vienoje pusėje ir aukštyn kavarko ir žavingojo antikvarko kitoje.

Tokios subtilios protono sandaros detalės gali būti svarbios. Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) fizikai ieško naujų elementariųjų dalelių, sudauždami priešpriešais beveik šviesos greičiu lekiančius protonus ir stebėdami jų nuolaužas; kad suprastų rezultatus, tyrėjai privalo žinoti, kas yra protone. Retkarčiais pasirodantys milžiniški žavieji kvarkai išlaisvintų nuo egzotiškesnių dalelių kūrimo būtinybės.

O kosminių spindulių protonams iš kosmoso trenkiantis į Žemės atmosferos protonus, atsirandantys tinkamu momentu žavieji kvarkai užlietų Žemę ekstra energingais neutrinais, 2021 metais paskaičiavo tyrėjai. Jie galėtų apstulbinti stebėtojus ieškančius didelės energijos neutrinų iš viso kosmoso.

Rojo sandarbis planuoja tęsti protono tyrimus, ieškodamas žaviųjų kvarkų ir antikvarkų disbalanso. Ir sunkesnius komponentus, tokius, kaip viršutiniai kvarkai aptikti gali būti dar sunkiau.

Naujos kartos eksperimentais bus ieškoma dar daugiau nežinomų savybių. Kitame dešimtmetyje Brookhaven Nacionalinės laboratorijos fizikai tikisi pakeisti Elektronų-jonų greitintuvą (EIC) ir perimti HERA užduotis, darant didesnės raiškos nuotraukas, iš kurių bus galima sukurti pirmąsias protono 3D rekonstrukcijas. EIC irgi bus elektronais kuriamas detalūs protoną sudarančių kvarkų ir gliuonų vaizdai, kaip kad SLAC ir HERA ištyrė jų momentus. Tai turėtų padėti tyrėjams galiausiai išsiaiškinti protono sukinio prigimtį, ir atsakyti į kitus fundamentalius klausimus apie paslaptingą dalelę, sudarančią didžiąją dalį mūsų kasdienio pasaulio.