Vor zwanzig Jahren begannen Physiker, die mysteriöse Asymmetrie der inneren Struktur des Protons zu untersuchen. Die Ergebnisse ihrer Ende Februar 2021 veröffentlichten Arbeit erklären, wie Antimaterie zur Stabilisierung des Kerns jedes Atoms beiträgt.
Sehr selten wird erwähnt, dass Protonen - die positiv geladenen Teilchen im Zentrum eines Atoms - teilweise Antimaterie sind.
In der Schule wurde uns gesagt, dass ein Proton eine Gruppe von drei Elementarteilchen ist, die Quarks genannt werden - zwei U-Quarks (oben) und ein D-Quark (unten), deren elektrische Ladungen +2/3 bzw. -1/3 sind Addieren Sie das Proton hat eine Ladung von +1. Aber hinter diesem elementaren Bild verbirgt sich eine viel seltsamere und immer noch ungelöste Geschichte.
Aus der Ferne scheint das Proton aus drei Teilchen zu bestehen, die Quarks genannt werden. Bei näherer Betrachtung können Sie jedoch viele Partikel sehen, die erscheinen und verschwinden.
Tatsächlich ein Wirbel aus einer sich ändernden Anzahl von sechs Arten von Quarks, deren entgegengesetzt geladene Gegenstücke aus Antimaterie (Antiquarks) und Gluonen, elementare masselose Partikel, die binden andere Teilchen zusammen, wandeln sich innerhalb des Protons in ihnen um und vermehren sich schnell. Irgendwie erweist sich dieser sprudelnde Wirbel als völlig stabil und scheinbar einfach und ahmt in bestimmten Aspekten ein Trio von Quarks nach. "Die Art und Weise, wie alles funktioniert, sieht ehrlich gesagt wie ein Wunder aus", sagte Donald Gisaman , Kernphysiker am Argonne National Laboratory in Illinois.
Vor dreißig Jahren entdeckten Forscher eine bemerkenswerte Eigenschaft dieses "Protonenmeeres". Theoretiker erwarteten, dass verschiedene Arten von Antimaterie gleichmäßig darin verteilt sein würden, aber es schien, dass die Anzahl der unteren Anitquarks die Anzahl der oberen Antiquarks signifikant überstieg. Dann, zehn Jahre später, bemerkte eine andere Gruppe von Forschern Hinweise auf unerklärliche Unterschiede im Verhältnis der oberen und unteren Antiquarks. Diese Ergebnisse standen jedoch kurz vor der Empfindlichkeit des Experiments.
Vor 20 Jahren begannen Donald Gisaman und sein Kollege Paul Rymer an einem neuen Experiment zu arbeiten, um dieses Problem besser zu verstehen. Das als SeaQuest bezeichnete Experiment ist endlich beendet und wurde von den Forschern veröffentlicht Ergebnisse in der Zeitschrift Nature. Sie haben die intrinsische Antimaterie des Protons gründlicher als je zuvor gemessen und festgestellt, dass es für jeden oberen Antiquark durchschnittlich 1,4 untere Antiquarks gibt.
Samuel Velasco / Quanta Magazine
Diese Daten unterstützen direkt zwei theoretische Modelle des Protonenmeeres. "Dies ist der erste echte Beweis, der diese Modelle unterstützt", sagte Reimer.
Eines, das Pionwolkenmodell, ist ein seit Jahrzehnten existierender populärer Ansatz, der die Tendenz des Protons betont, Partikel, sogenannte Pionen, zu emittieren und wieder zu absorbieren, die zu einer Gruppe von Partikeln gehören, die als Mesonen bekannt sind. Der zweite, der sogenannte statistisches Modell , betrachtet das Proton als einen mit Gas gefüllten Behälter.
Weitere geplante Experimente werden den Forschern helfen, eines dieser beiden Modelle auszuwählen. Was auch immer wahr ist, der SeaQuest-Protonen-Antimaterie-Antimaterie-Datensatz wird von unmittelbarem Nutzen sein, insbesondere für Physiker, die mit dem Large Hadron Collider Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Mit genauen Informationen über die Zusammensetzung kollidierender Objekte können sie die nach der Kollision verbleibenden Produkte effizienter zerlegen, um Beweise für das Vorhandensein neuer Partikel oder Effekte zu finden. Juan Rojo Die Freie Universität Amsterdam, die bei der Analyse der LHC-Daten behilflich ist, ist der Ansicht, dass die Ergebnisse des SeaQuest-Experiments einen großen Einfluss auf die Suche nach neuer Physik haben könnten, die derzeit "durch unser Wissen über die Struktur der Proton, insbesondere über seine Antimaterie. "
Der dritte ist nicht überflüssig
Für eine kurze Zeit, vor etwa einem halben Jahrhundert, glaubten die Physiker, sie hätten sich mit dem Proton befasst.
Im Jahr 1964, Murray Gell-Mann und George Zweig unabhängig ein Modell vorgeschlagen , die später wurde Quark : Die Idee war , dass die Protonen, Neutronen und ihre zugehörigen seltenen Teilchen sind Strahlen aus drei Quark (wie sie genanntGell-Mann) und Pionen und andere Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark. Dieses Schema erklärte die Kakophonie von Teilchen, die von hochenergetischen Teilchenbeschleunigern fliegen, da das Spektrum ihrer Ladungen aus zwei- und dreiteiligen Kombinationen aufgebaut werden könnte. Um 1970 schienen Forscher des Stanford Linear Accelerator (SLAC) das Quarkmodell zu bestätigen : Indem sie Hochgeschwindigkeitselektronen auf Protonen abfeuerten, sahen sie, wie Elektronen von Objekten im Inneren abprallten.
Aber das Bild wurde bald weniger klar. "Als wir uns mehr bemühten, die Eigenschaften dieser drei Quarks zu messen, stellten wir fest, dass etwas anderes vor sich ging", sagte Chuck Brown, ein 80-jähriges SeaQuest-Teammitglied im National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab), der seit den 1970er Jahren an Quark-Experimenten arbeitet.
Die Untersuchung des Impulses von drei Quarks zeigte, dass ihre Massen einen kleinen Teil der Gesamtmasse des Protons ausmachen. Als Forscher am SLAC Elektronen mit höherer Geschwindigkeit auf Protonen schossen, stellten sie außerdem fest, dass die Elektronen mehr Teilchen im Inneren abstießen. Je schneller die Elektronen sind, desto kürzer ist ihre Wellenlänge, wodurch sie für die feineren Elemente des Protons empfindlich werden. Es ist, als würde man die Auflösung eines Mikroskops erhöhen. Es wurden immer mehr innere Teilchen entdeckt, die kein Ende zu haben schienen. "Wir wissen nicht, wo die Grenze liegt und welche höchste Auflösung erzielt werden kann", sagte Gisaman.
Die Ergebnisse wurden sinnvoller, als die Physiker eine echte Theorie entwickelten, der das Quarkmodell nur näher kommt: die Quantenchromodynamik oder QCD. QCD, 1973 formuliert, beschreibt die "starke Kraft", die größte Kraft in der Natur, durch die Teilchen, die Gluonen genannt werden, Quarkstrahlen binden.
QCD sagt denselben Wirbel voraus, der in Streuexperimenten entdeckt wurde. Schwierigkeiten ergeben sich aus der Tatsache, dass Gluonen genau die Kraft spüren, die sie tragen. So unterscheiden sie sich von Photonen, die eine einfachere elektromagnetische Kraft tragen. Diese "Willkür" erzeugt eine Störung innerhalb des Protons und gibt den Gluonen völlige Handlungsfreiheit für die Entstehung, Vermehrung und Aufspaltung in kurzfristige Paare von Quarks und Antiquarks. Durch das Ausbalancieren bleiben diese eng beieinander liegenden, entgegengesetzt geladenen Quarks und Antiquarks von weitem unbemerkt. Nur drei unausgeglichene "Valenz" -Quarks - zwei auf und ab - bilden die Gesamtladung des Protons. Die Physiker erkannten jedoch, dass sie durch das Abfeuern von Elektronen mit höheren Geschwindigkeiten kleinere Ziele treffen.
Die Kuriositäten endeten jedoch nicht dort.
Aufgrund der Beliebigkeit von Gluonen können die QCD-Gleichungen nicht gelöst werden, daher sind Physiker gescheitert und können immer noch keine genauen Vorhersagen der Theorie berechnen. Sie hatten jedoch keinen Grund anzunehmen, dass sich Gluonen häufiger in eine Art von Quark-Antiquark-Paar (nämlich das untere) als in eine andere aufspalten würden. "Wir haben erwartet, dass eine gleiche Anzahl beider Paare auftaucht", erklärte Mary Ahlberg , Nuklear-Theoretikerin an der Seattle University, ihre damaligen Gründe.
Mary Ahlberg, Kernphysikerin an der Universität von Seattle, und ihre Mitautoren haben lange Zeit argumentiert, dass das Pion eine wichtige Rolle bei der Bildung der Essenz des Protons spielt.
Foto mit freundlicher Genehmigung der Seattle University
Aus diesem Grund waren die Forscher der New Muon Collaboration in Genf von den Ergebnissen des Myonenstreuungsexperiments so schockiert. Im Jahr 1991. Sie kollidierten Myonen (die schwereren Verwandten von Elektronen) mit Protonen und Deuteronen, die aus einem Proton und einem Neutron bestehen, verglichen die Ergebnisse und kamen zu dem Schluss, dass es im Protonenmeer mehr niedrigere Antiquarks als obere Antiquarks gibt.
Teile eines Protons
Bald schlugen Theoretiker mehrere mögliche Erklärungen für die Asymmetrie des Protons vor.
Einer von ihnen ist mit einer Pfingstrose verbunden. Seit den 1940er Jahren haben Physiker beobachtet, wie Protonen und Neutronen in Atomkernen Pionen austauschen, wie Spieler in einem Team, die sich gegenseitig Basketbälle werfen, um sie zusammenzuhalten. Über die Struktur des Protons nachdenkend, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass es auch einen Basketball zu sich selbst werfen kann, dh kurzzeitig ein positiv geladenes Pion emittieren kann, das sich für diese Zeit in ein Neutron verwandelt und es dann wieder absorbiert. "Wenn Sie während eines Experiments glauben, dass Sie ein Proton betrachten, ist dies nicht der Fall, da dieses Proton für einige Zeit in den Zustand eines Neutronen-Pion-Paares übergeht", sagte Ahlberg.
Genauer gesagt verwandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Pion, bestehend aus einem Up-Quark und einem Down-Antiquark. Da diese gespenstische Pfingstrose einen unteren Antiquark hat (eine Pfingstrose mit einem oberen Antiquark kann nicht so leicht entstehen), haben Theoretiker wie Ahlberg, Gerald Miller und Tony Thomas argumentiert, dass das Pionwolkenmodell die größere Anzahl von Antiquarks mit niedrigeren Protonen erklärt, die durch Messungen nachgewiesen wurden .
Samuel Velasco / Quanta Magazine
Andere Argumente sind ebenfalls aufgetaucht. Claude Burrely und seine Kollegen aus Frankreich entwickelten ein statistisches Modell, das die inneren Teilchen eines Protons als Gasmoleküle in einem Raum betrachtet, die sich chaotisch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, abhängig davon, ob das Teilchen einen ganzzahligen oder einen halbzahligen Drehimpuls hat. In Übereinstimmung mit Daten aus zahlreichen Streuexperimenten ging das Modell von einer Dominanz der Antiquarks aus.
Die Vorhersagen der beiden vorgenannten Modelle waren nicht identisch. Der größte Teil der Gesamtmasse eines Protons besteht aus den Energien einzelner Teilchen, die in das Protonenmeer hinein und aus diesem heraus brechen, und diese Teilchen tragen unterschiedliche Energien. Modelle haben unterschiedlich vorhergesagt, wie sich das Verhältnis von hohen zu niedrigen Antiquarks ändern sollte, wenn sie Antiquarks zählen, die mehr Energie tragen. Physiker messen eine verwandte Größe, die als Antiquark-Impulsfraktion bezeichnet wird.
Wenn Forscher am Fermilab in 1999 unter NuSea Experiment gemessenDas Verhältnis von oberen und unteren Antiquarks als Funktion des Antiquark-Impulses, das Ergebnis ihrer Arbeit, hat einfach alle inspiriert, erinnert sich Ahlberg. Diese Daten zeigen, dass es unter Antiquarks mit einem großen Impuls (so groß, dass sie sich am Rand des Erfassungsbereichs des Instruments befanden) plötzlich mehr obere Antiquarks als untere gab. "Jeder Theoretiker sagte: 'Moment mal', sagte Ahlberg." Warum hat sich die Kurve entfaltet, als diese Antiquarks viel Schwung bekommen haben? "
Während sich Theoretiker über diese Frage Gedanken machten, beschlossen Gisaman und Reimer, die am NuSea-Experiment arbeiteten und wussten, dass Daten am Rande manchmal nicht vertrauenswürdig sein sollten, ein Experiment zu erstellen, bei dem es möglich wäre, ein breiteres Spektrum von Fragen zu untersuchen Antiquark-Hülsenfrüchte unter angenehmen Bedingungen. Sie nannten es SeaQuest.
Von was war
Mit ein paar Fragen zum Proton, aber ohne Geld, begannen sie, ein Experiment aus den verwendeten Teilen zusammenzustellen. "Unser Motto war: Abfall reduzieren, wiederverwenden, recyceln", sagte Reimer.
Sie kauften mehrere alte Szintillatoren aus dem Hamburger Labor, die restlichen Partikeldetektoren im Los Alamos National Laboratory und die strahlungsblockierenden Eisenplatten, die ursprünglich in den 1950er Jahren im Zyklotron der Columbia University verwendet wurden. Sie konnten den im NuSea-Experiment verwendeten raumgroßen Magneten verwenden und ihr neues Experiment am Protonenbeschleuniger in Fermilab durchführen. Der aus diesen Details resultierende "Frankenstein" war jedoch nicht ohne Charme. Laut Brown, der bei der Suche nach allen Teilen geholfen hat, wurde vor 50 Jahren eine akustische Anzeige gemacht, die signalisiert, dass die Protonen in das Gerät eindringen: "Wenn es piept, wird es in der Seele warm."
Kernphysiker Paul Rymer (oben) mit dem SeaQuest-Experimentiergerät
Ein Experiment bei Fermilab, das hauptsächlich aus gebrauchten Teilen besteht
. Schließlich wurde es gestartet. In dem Experiment trafen Protonen zwei Ziele: eine Wasserstoffblase, die im Wesentlichen ein Proton ist, und eine Deuteriumblase, deren Kern aus einem Proton und einem Neutron besteht.
Wenn eines der beiden Ziele getroffen wird, vernichtet sich einer der Valenzquarks des Protons manchmal mit einem der Antiquarks des Protons oder Neutrons des Ziels. "Vernichtung hat eine einzigartige Signatur und produziert Myon und Anti-Myon", sagte Rymer. Diese Partikel prallen dann zusammen mit anderen "Trümmern" der Kollision gegen die alten Eisenplatten. "Myonen können durch sie hindurchtreten und alle anderen Partikel sind blockiert", sagte er. Indem Sie Myonen auf der Rückseite der Platten erkennen und ihre ursprünglichen Flugbahnen und Geschwindigkeiten wiederherstellen, "können Sie die Chronologie der Ereignisse rekonstruieren, um herauszufinden, welcher Anteil des Impulses von Antiquarks getragen wird."
Da sich Protonen und Neutronen gegenseitig spiegeln, wobei eines Teilchen vom oberen Typ hat, hat das andere Teilchen vom unteren Typ und umgekehrt. Wenn man die Daten der beiden Blasen vergleicht, kann man sofort das Verhältnis der oberen Antiquarks zu den unteren Antiquarks im Proton erkennen, aber dem gingen natürlich 20 Jahre Arbeit voraus.
2019 berechneten Ahlberg und Miller die Ergebnisse des SeaQuest-Experiments basierend auf dem Pionwolkenmodell . Ihre Vorhersagen stimmen mit den neuen SeaQuest-Daten überein.
Neue Daten, die einen allmählichen Anstieg und dann ein Plateau im Verhältnis zwischen unteren und oberen Antiquarks anstelle einer plötzlichen Umkehr zeigen, stimmen auch mit den Ergebnissen eines flexibleren statistischen Modells überein .entwickelt von Burrely und Kollegen. Miller nennt dieses konkurrierende Modell jedoch "deskriptiv, nicht prädiktiv", da es auf die Daten abgestimmt ist, anstatt einen physikalischen Mechanismus hervorzurufen, der die Dominanz von Antiquarks erklärt. "Und in unseren Berechnungen bin ich stolz darauf, dass sie eine echte Prognose darstellen", sagte Ahlberg. "Wir haben vorher keine Parameter angepasst."
In einer E-Mail argumentierte Burrely, dass "das statistische Modell leistungsfähiger ist als das Alberg- und Miller-Modell", da es Streuexperimente sowohl mit polarisierten als auch mit nicht polarisierten Partikeln berücksichtigt. Miller war anderer Meinung und stellte fest, dass das Pionwolkenmodell nicht nur die Antimateriezusammensetzung des Protons erklärt, sondern auch die magnetischen Momente verschiedener Teilchen, die Ladungsverteilung und die Zerfallszeiten sowie "die Bindung und damit die Existenz aller Kerne" . " Er fügte hinzu, dass der Pion-Mechanismus „im weitesten Sinne wichtig für Fragen wie„ Warum gibt es Kerne? Warum existieren wir? "
Bei der letztendlichen Suche nach dem Verständnis des Protons kann der Spin oder der intrinsische Drehimpuls der entscheidende Faktor sein. Ein Myonenstreuungsexperiment Ende der 1980er Jahre zeigte diesdass die Spins der drei Valenzquarks des Protons nicht mehr als 30% des gesamten Spins des Protons betragen. Die "Protonenspinkrise" kann durch die folgende Frage ausgedrückt werden: "Was macht die restlichen 70% aus?" Und als Veteranenforscher sagte Chuck Brown, ein Fermilab-Veteran, erneut: "Es muss noch etwas anderes geben."
Die Experimentatoren werden den Spin des Protonenmeeres in Fermilab und anschließend am projizierten Elektronenionenkollider im Brookhaven National Laboratory untersuchen. Ahlberg und Miller arbeiten bereits an Berechnungen einer vollständigen "Mesonenwolke", die die Protonen umgibt und neben Pionen auch die selteneren "Rho-Mesonen" enthält. Im Gegensatz zu Pionen haben Ro-Mesonen Spin, daher müssen sie irgendwie den Gesamtspin des Protons beeinflussen, den Ahlberg und Miller zu bestimmen hoffen.
Das SpinQuest- Experiment von Fermilab , an dem viele SeaQuest-Forscher beteiligt sind und das die Details dieses Experiments verwendet, ist fast fertig, sagte Brown . „Mit etwas Glück werden wir die Daten in diesem Frühjahr erhalten. Dies wird zumindest teilweise von den Fortschritten bei der Entwicklung eines Impfstoffs gegen das Virus abhängen. Es ist lustig, dass die Lösung eines so tiefen und unverständlichen Problems der inneren Struktur des Kerns von der Situation mit dem COVID-Virus im Land abhängt. Alles auf der Welt ist miteinander verbunden, nicht wahr? "