Впервые измерено давление внутри протона

Внутри каждого протона в каждом атоме во Вселенной действует такое давление, которое превосходит сокрушительное давление нейтронной звезды — согласно первому измерению механического свойства субатомных частиц, распределения давления внутри протона, которое было проведено учеными на национальной Ускорительной установке Томаса Джефферсона Департамента энергетики.

Физики-ядерщики обнаружили, что строительные блоки протона, кварки, подвергаются давлению 100 дециллионов Паскаля (10³⁵) вблизи центра протона, что примерно в 10 раз превышает давление в сердце нейтронной звезды. Результат был недавно опубликован в журнале Nature.

«Мы обнаружили чрезвычайно высокое внешнее направленное давление из центра протона и гораздо более низкое и расширенное внутреннее направленное давление вблизи периферии протона», — объясняет Фолькер Буркерт, Руководитель лаборатории Джефферсона, и соавтор статьи.

Буркерт говорит, что распределение давления внутри протона продиктовано сильным ядерным взаимодействием — силой, которая связывает три кварка вместе, чтобы образовать протон.

«Наши результаты также проливают свет на распределение сил внутри протона», — сказал он. «Мы предоставляем способ визуализации величины и распределения сильной ядерной силы внутри протона. Это открывает совершенно новое направление в ядерной физике и физике частиц, которое может быть изучено в будущем.»

Когда-то считалось невозможным получить такое знание. Теоретик, который разработал концепцию гравитационных форм-факторов в 1966 году, Хайнц Пагельс, заметил в статье, подробно описывающей их, что «очень мало надежды узнать что-либо о детальной механической структуре частицы из-за крайней слабости гравитационного взаимодействия».

Но, во-первых, существуют обобщенные распределения партонов. GPD позволяют исследователям создавать трехмерное изображение структуры протона, которое исследуется электромагнитной силой. Второй — гравитационные форм-факторы протона. Эти форм-факторы описывают, какова будет механическая структура протона, если бы физики могли исследовать протон через гравитационную силу.

Недавние теоретические работы связали GPDs с гравитационными форм-факторами, что позволило заменить результаты электромагнитных зондов протонов гравитационными зондами.

«В этом вся прелесть. У нас есть эта карта, которую, как мы думали, мы никогда не получим», — сказала Латифа Элуадрири, научный сотрудник лаборатории Джефферсона и соавтор статьи.

В процессе DVCS электрон входит в протон и обменивается виртуальным фотоном с кварком, передавая энергию кварку и протону. Через некоторое время протон высвобождает эту энергию, испуская еще один фотон, и продолжает оставаться нетронутым. Этот процесс аналогичен расчетам, выполненным для того, как можно было бы исследовать протон гравитационно с помощью гипотетического пучка гравитонов. Исследователи лаборатории Джефферсона смогли использовать сходство между известными электромагнитными и гипотетическими гравитационными исследованиями, чтобы получить их результат.

«Туда входит Фотон и выходит Фотон, а пара фотонов — это спин-1. Это дает нам ту же информацию, что и обмен одной гравитонной частицей со спином-2», — говорит Франсуа-Ксавье Гирод, научный сотрудник лаборатории Джефферсона и соавтор статьи. «Таким образом, теперь можно в основном сделать то же самое, что мы сделали в электромагнитных процессах — но относительно гравитационных форм-факторов, которые представляют механическую структуру протона».

Исследователи говорят, что следующим шагом является применение метода к еще более точным данным, которые будут доступны в ближайшее время, чтобы уменьшить неопределенности в текущем анализе и начать работу по выявлению других механических свойств повсеместного протона, таких как внутренние силы сдвига и механический радиус протона.

The pressure distribution inside the proton, Nature (2018).   nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0060-z