Noua descoperire poate explica asimetria confuză a protonului

Reprezentarea grafică a protonului. Sferele mari reprezintă cele trei quarcuri de valență, sferele mici reprezintă celelalte quarkuri care formează protonul, iar arcurile reprezintă forța nucleară care le ține laolaltă. Credit: Laboratorul Național Brookhaven

Asimetria din proton îi încurcă pe fizicieni, dar o nouă descoperire poate aduce înapoi teorii vechi pentru a o explica.

Simetria, care este prezentată în domenii care variază de la matematică și artă, la organisme vii și galaxii, este o structură de bază importantă în natură. Acesta caracterizează universul nostru și ne permite să-l studiem și să-l înțelegem.

Deoarece simetria este o temă atât de răspândită în natură, fizicienii sunt interesați mai ales când un obiect pare să fie simetric, dar nu este. Când oamenii de știință se confruntă cu aceste simetrii rupte, este ca și cum ar fi găsit un obiect cu o reflexie ciudată în oglindă.

“Natura conduce calea către conceptele modelelor anterioare de protoni pentru a obține o a doua privire.” – Fizicianul din Argonne, Don Geesaman

Protonul, o particulă încărcată pozitiv care există în centrul fiecăruia atom, prezintă asimetrie în machiajul ei. Medicii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului Energiei din SUA (DOE) și colaboratorii lor au investigat recent complexitățile acestei simetrii rupte cunoscute printr-un experiment efectuat la Laboratorul Național de Accelerare al DOE. funcționarea sa internă.

Rezultatul acestui experiment contrazice concluzia unui studiu de la sfârșitul anilor ’90, realizat tot la Fermilab. Oamenii de știință pot revedea acum teorii pentru a descrie asimetria protonilor care a fost exclusă de vechiul experiment.

Înțelegerea proprietăților protonului îi ajută pe fizicieni să răspundă la unele dintre cele mai fundamentale întrebări din toată știința și, cercetând lumea la cel mai mic nivel, oamenii de știință avansează tehnologia pe care o folosim în fiecare zi. Studiile privind protonii au condus la dezvoltarea terapiei cu protoni pentru tratamentul cancerului, la măsurarea radiației protonice în timpul călătoriilor spațiale și chiar la înțelegerea formării stelelor și a universului primitiv.

„Am reușit să vedem dinamica încurcată a protonului”, a spus fizicianul Argonne Don Geesaman, „și prin acest experiment, natura deschide calea pentru ca conceptele modelelor antice de protoni să capete o a doua privire”.

Materia nu se potrivește

La fel cum formele pot avea simetrie, la fel și particulele. Un cerc perfect este format din două semicercuri de aceeași dimensiune orientate spre direcții opuse și fiecare tip de particulă din univers are o antiparticulă de aceeași masă cu sarcină electrică opusă.

Aparat de asimetrie a protonilor

Imaginea aparatului utilizat în experiment. Fasciculele de protoni trec prin fiecare dintre straturile prezentate. Credit: Laboratorul Național de Accelerare Fermi

Blocurile de construcție a protonilor includ particule numite quark și antiparticulele lor, numite antiquarks. Acestea prezintă „arome”, cum ar fi sus, jos, anti-sus și anti-jos. Cuarcurile și anticarcurile sunt unite în cadrul protonului de o forță nucleară puternică. Forța acestei forțe poate scoate din nicăieri perechi de quark și antiquark, iar aceste perechi există pentru o perioadă scurtă de timp înainte de a se anihila reciproc. Această „mare” de quarks și antiquarks care apar în interiorul și în afara existenței este întotdeauna prezentă în interiorul protonului.

Interesant este că, la un moment dat, mai sunt trei quark-uri decât antiquark-uri: doi quark-uri ascendente mai mult decât quark-uri anti-ascendente și un quark inferior decât quark-urile anti-descendente. Cu alte cuvinte, aceste quark-uri nepotrivite nu au omologi antimaterie. Această asimetrie este motivul pentru care protonii sunt încărcați pozitiv, ceea ce permite atomilor și, prin urmare, să existe toată materia.

„Avem încă o înțelegere incompletă a protonilor unui proton și a modului în care acestea dau naștere proprietăților protonului”, a spus Paul Reimer, fizician Argonne în studiu. „Natura trecătoare a perechilor quark-antiquark face ca prezența lor în protoni să fie dificil de studiat, dar în acest experiment am detectat anihilarea antiquarkurilor, ceea ce ne-a dat o idee despre asimetria”.

Drell-Yan Alpha

Graficul quarkilor anihilatori (linii roșii stânga), producând un foton (linia de mijloc) și producând doi muoni (linii magenta drepte). Oamenii de știință au detectat acești muoni pentru a obține informații despre asimetria quarkilor de protoni. Credit: Paul Reimer / Laboratorul Național Argonne

Experimentul a determinat că există întotdeauna mai mulți quarks anti-joși în proton decât quarks anti-sus, indiferent de impulsul quark-urilor. Importanța acestui rezultat este contradicția sa cu concluzia experimentului Fermilab la sfârșitul anilor ’90, care a sugerat că în momentele puternice, asimetria protonului este inversată, ceea ce înseamnă că încep quarks anti-up. .

„Am proiectat noul experiment pentru a analiza aceste aspecte esențiale pentru a determina dacă această schimbare se întâmplă cu adevărat”, a spus Reimer. “Am arătat că există o asimetrie lină, fără nici o răsucire, în relația dintre quarcurile anti-sus și anti-jos.”

Reconstituirea anihilării

Pentru a investiga quark-urile protonice și antiquarkurile, oamenii de știință au tras fascicule de protoni asupra țintelor și au studiat consecințele coliziunilor de particule. Mai exact, au studiat ce se întâmplă după ce un proton din fascicul lovește un proton din țintă.

Când protonii se ciocnesc, quark-urile și antiquarkurile protonilor se anihilează reciproc. Apoi, două noi particule fundamentale numite muoni ies din anihilare, care acționează ca o semnătură a interacțiunii. Din aceste interacțiuni, oamenii de știință au determinat raportul dintre quarks anti-ascendenți și quarks anti-descendenți într-o serie de impulsuri ridicate.

„Am decis să măsurăm muoni, deoarece aceștia pot trece prin material mai bine decât majoritatea celorlalte fragmente de coliziune”, a spus Reimer. Între ținte și dispozitivele lor de măsurare, echipa a plasat un perete de fier gros de cinci metri pentru a preveni trecerea altor particule și înnorarea semnalelor lor.

Când muonii au atins dispozitivele de măsurare la sfârșitul călătoriei lor, oamenii de știință au reconstruit anihilările quark-antiquark din măsurători, ceea ce le-a permis să confirme proporția uniformă și uniformă de quark anti-up cu anti-low.

O a doua privire

„Ceea ce credeam că am văzut în experimentul anterior nu este ceea ce se întâmplă”, a spus Geesaman, care a făcut parte atât din studiile actuale, cât și din cele anterioare. “De ce totuși? Acesta este următorul pas ”.

Teoriile respinse după ce au contrazis rezultatele experimentului anterior oferă acum o descriere fantastică a noilor date, iar oamenii de știință le pot revizui cu mai multă încredere datorită acestui experiment. Aceste teorii vor servi drept informații pentru noi experimente privind asimetria protonului și a altor particule, care se vor adăuga la înțelegerea noastră a teoriei din jurul quarcurilor.

Indiciile despre natura quarcilor de protoni duc în cele din urmă la o mai bună înțelegere a nucleului atomic. Înțelegerea nucleului poate demistifica proprietățile atomului și modul în care reacționează diferitele elemente chimice între ele. Cercetarea cu protoni atinge domenii precum chimia, astronomia, cosmologia și biologia, care conduc la progrese în medicină, știința materialelor și multe altele.

„Trebuie să experimentați pentru a conduce gândirea și a restricționa teoria, iar aici căutam natura pentru a ne oferi o idee despre dinamica protonilor”, a spus Geesaman. „Este un ciclu împletit de experimente și teorii care duce la cercetări șocante”.

Referință: „Asimetria antimateriei în proton”, 24 februarie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03282-z

Lucrarea a fost realizată de SeaQuest Collaboration, care are sprijinul parțial al Oficiului de Fizică Nucleară al DOE și al Fundației Naționale pentru Științe.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Producția de energie durabilă prin reducerea electrochimică

Credit ilustrativ: Cortland Johnson | PNNL Rezervele mici de biomasă, cum ar fi apele uzate, deșeurile alimentare și așchii de lemn, sunt adesea trecute...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Lupii cenușii s-au adaptat perioadei de hrănire și au dispărut din era glaciară

Lupii cenușii călăresc cai în mediul de stepă mamut din Beringia în timpul Pleistocenului (acum aproximativ 25.000 de ani). Credit: Julius Tsotonii Lupii cenușii...

Newsletter

Subscribe to stay updated.