Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nedávný experiment určil objem protonu, respektive poloměr jeho hmotnosti, Přesněji řečeno té části hmotnosti, za kterou je odpovědná silná interakce. Pokus byl proveden na urychlovači v Thomas Jefferson National Accelerator Facility (spadá pod Ministerstvo energetiky USA), ale na výzkumu se podíleli vědci z celé řady institucí.
Celková hmotnost protonu není zdaleka jen součtem hmotnosti tří valenčních kvarků. Když sečteme hmotnosti kvarků v protonu podle Standardního modelu, získáte jen malý zlomek jeho celkové hmotnosti. Za část hmotnosti odpovídá energie pohybu kvarků, část dodává silná interakce, která kvarky lepí k sobě (nebo jinak: tuto hmotnost dodávají gluony). A pak jsou zde ještě dynamické interakce mezi kvarky a gluony.
Nové měření se soustředilo na hmotnost, která je generována gluony protonu – podařilo se přesně určilo místo, kde se hmota generovaná těmito gluony nachází. Ukázalo se, že „jádro hmotnosti“ se nepřekvapivě nachází ve středu protonu. Výsledek ale také naznačuje, že toto jádro má jinou velikost než dobře změřený poloměr náboje protonu, což je veličina, která se často používá jako zástupný ukazatel velikosti (objemu) protonu.
„Poloměr této hmotnostní struktury je menší než poloměr náboje a to nám dává určitý smysl pro hierarchii hmotnostní versus nábojové struktury nukleonu,“ uvedl jeden z autorů experimentu Mark Jones z Jefferson Lab. Výsledek je nečekaný; ostatně původním cílem výzkumu bylo něco úplně jiného, totiž hledání pentakvarku, o němž předtím informovali vědci z CERNu.
Co se vlastního technického provedení experimentu týče, popise se následujícím způsobem. Elektrony o energii 10,6 GeV (miliardy elektronvoltů) z urychlovače byly namířeny na malý měděný blok. Elektrony byly blokem zpomaleny nebo vychýleny, což způsobilo, že vyzařovaly fotony. Tento svazek fotonů pak dopadl na protony uvnitř terče z kapalného vodíku. Detektory měřily zbytky těchto interakcí v podobě elektronů a pozitronů.
Experimentátoři se zajímali o ty interakce, při kterých mezi jádry protonů vodíku vznikaly částice J/Ψ. J/Ψ je krátce žijící mezon, který se skládá z kvarku a antikvarku c (charm, půvabný). Po svém vzniku se rychle rozpadá na pár elektron/pozitron. Z miliard interakcí našli experimentátoři při měření průřezu těchto interakcí asi 2 000 částic J/Ψ potvrzením koincidenčních párů elektron/pozitron.
„Je to podobné tomu, co jsme dělali celou dobu. Pružným rozptylem elektronu na protonu jsme získávali rozložení náboje protonu,“ řekl M. Jones. „V tomto případě jsme provedli výhradní fotoprodukci J/Ψ z protonu a místo rozložení náboje získáváme rozložení gluonu.“ K dalším výsledkům se pak došlo výpočty z velikosti průřezu pomocí teoretických modelů.
Gluony zde navíc mají být různého typu. „Ze dvou různých kombinací těchto veličin /tzv. gravitační form faktory/ experimentátoři určili výše zmíněný poloměr gluonové hmoty, kterému dominují gluony podobné gravitonům, a také větší poloměr přitažlivých skalárních gluonů, které přesahují pohybující se kvarky a omezují je v prostoru,“ praví průvodní tisková zpráva. Právě tyto skalární gluony výrazně přesahují poloměr protonu z hlediska rozložení elektrického náboje („elektromagnetický poloměr“).
Zein-Eddine Meziani, Determining the gluonic gravitational form factors of the proton, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4. www.nature.com/articles/s41586-023-05730-4
Zdroj: Thomas Jefferson National Accelerator Facility / Phys.org
Poznámka k obrázku: Velké kuličky budou nejespíš valenční kvarky (stálé), malé kvarky virtuální.
Kecal, r=1,1.10^-15 m (pravděpodobně). Nepleťme do toho Boha, uťal jsem se ve hmotnosti J/psí 🙂