Физики впервые рассчитали распределение давления в протоне

Впервые физики из Массачусетского технологического института вычислили распределение давления в протоне

0 969

Нейтронные являются одними из самых плотных известных объектов во вселенной, они выдерживают такое сильное давление, что одна чайная ложка материала звезды будет примерно в 15 раз больше веса Луны. Тем не менее, как оказалось, протоны — фундаментальные частицы, которые составляют большую часть видимого вещества во вселенной — содержат даже более высокие давления.

Впервые физики из Массачусетского технологического института вычислили распределение давления в протоне и обнаружили, что частица содержит ядро ​​с высоким давлением, которое в своей наиболее интенсивной точке создает большее давление, чем внутри нейтронной звезды.

Это ядро ​​выталкивается из центра протона, в то как окружающая область вталкивает его внутрь. (Представьте себе, что бейсбольный мяч пытается раскрыться внутри схлопывающегося футбольного мяча.) Конкурирующее давление стабилизирует общую структуру протона.

Результаты физиков, опубликованные в Physical Review Letters, представляют собой первый случай, когда ученые вычислили распределение давления протона, принимая во внимание вклад как кварков, так и глюонов, фундаментальных, субъядерных составляющих протона.

«Давление — это фундаментальный аспект протона, о котором мы очень мало знаем в настоящее время», — говорит ведущий автор работы Phiala Shanahan, доцент кафедры физики в MIT. «Теперь мы обнаружили, что и глюоны в центре протона создают значительное внешнее давление, а дальше к краям возникает ограничивающее давление. С этим результатом мы движемся к полной картине структуры протона.»

В мае 2018 года физики из Национального ускорительного центра Томаса Джефферсона объявили, что они впервые измерили распределение давления протона, используя пучок электронов, который они выпустили по цели, сделанной из водорода. взаимодействовали с кварками внутри протонов в мишени. Затем физики определили распределение давления по протону, основываясь на том, как электроны рассеиваются от мишени. Их результаты показали центр высокого давления в протоне, который в точке его наивысшего давления составлял около 1035 паскалей, или в 10 раз больше давления внутри нейтронной звезды. Тем не менее, Шанахан говорит, что их картина давления протона была неполной.

«Они нашли довольно замечательный результат», — говорит Шанахан. «Но этот результат был предметом ряда важных предположений, которые были необходимы из-за нашего неполного понимания».

В частности, исследователи основывали свои оценки давления на взаимодействиях кварков протона, но не его глюонов. состоят как из кварков, так и из глюонов, которые непрерывно и динамически взаимодействуют внутри протона. Команда Лаборатории Джефферсона была в состоянии определить вклад кварков только с помощью своего детектора, который, по словам Шанахана, не учитывает большую часть вклада протона в давление.

«За последние 60 лет мы достаточно хорошо понимали роль кварков в структуре протона», — говорит она. «Но глюонную структуру гораздо сложнее понять, поскольку ее трудно измерить или рассчитать».

Физики Массачусетского технологического института впервые рассчитали распределение давления внутри протона. Они обнаружили, что ядро ​​выталкивается из центра протона, в то как окружающая область вталкивает его внутрь.
© Massachusetts Institute of Technology

«Внутри протона существует пузырящийся квантовый вакуум пар кварков и антикварков, а также глюонов, появляющихся и исчезающих», — говорит Шанахан. «Наши расчеты включают в себя все эти динамические колебания».

Чтобы сделать это, команда использовала метод в физике, известный как решеточная КХД, для квантовой хромодинамики, который представляет собой систему уравнений, описывающих сильное взаимодействие, одну из трех фундаментальных сил Стандартной модели физики элементарных частиц. (Два других — это слабое взаимодействие и электромагнитная сила.) Сильное ядерное взаимодействие — это то, что связывает и глюоны, чтобы в конечном итоге создать протон.

Решения КХД с решеткой используют четырехмерную сетку или решетку точек для представления трех измерений пространства и одного времени. Исследователи рассчитали давление внутри протона, используя уравнения квантовой хромодинамики, определенные на решетке.

«Это требует огромных вычислительных ресурсов, поэтому мы используем самые мощные суперкомпьютеры в мире для выполнения этих вычислений», — объясняет Шанахан.

Команда ученых провела около 18 месяцев, пропуская различные конфигурации кварков и глюонов через несколько разных суперкомпьютеров, а затем определила среднее давление в каждой точке от центра протона до его края.

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x