Ny forskning avslöjar hur gravitationen påverkar kvantvärlden

By | February 12, 2024

Kärnfysiker har upptäckt gravitationens djupgående inverkan på kvantskalan och avslöjar för första gången fördelningen av den starka kraften inom protoner. Denna banbrytande forskning, som kombinerar historisk teoretisk kunskap med moderna experimentella data, erbjuder en aldrig tidigare skådad förståelse av protonens interna dynamik och lägger grunden för framtida upptäckter inom kärnvetenskap.

Kärnfysiker vid Jefferson Laboratory har kartlagt fördelningen av den starka kraften inom protonen, med hjälp av ett ramverk som länkar till gravitationen, vilket öppnar en ny väg för utforskning.

Tyngdkraftens inflytande är omisskännligt uppenbart i hela det observerbara universum. Dess effekter ses i månarnas synkroniserade banor runt planeter, i kometer som avviker från sina banor på grund av gravitationskraften från stora stjärnor och i de majestätiska spiralerna i enorma galaxer. Dessa storslagna fenomen framhäver gravitationens roll på materiens största skalor. Samtidigt upptäcker kärnfysiker tyngdkraftens viktiga bidrag på materiens minsta skalor.

Ny forskning av kärnfysiker vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility använder en metod som kopplar samman teorier om gravitation med interaktioner mellan de minsta partiklarna av materia för att avslöja nya detaljer genom denna mindre skala. Forskningen har nu avslöjat, för första gången, en ögonblicksbild av fördelningen av den starka kraften i protonen. Denna ögonblicksbild beskriver skjuvspänningen som kraften kan utöva på kvarkpartiklarna som utgör protonen. Resultatet publicerades nyligen i Recensioner av modern fysik.

Information om protonens struktur

Enligt studiens huvudförfattare, Volker Burkert, en senior forskare vid Jefferson Laboratory, avslöjar mätningen information om miljön som protonens byggstenar upplever. Protoner består av tre kvarkar som hålls samman av en stark kraft.

“På sin topp är detta mer än en fyra tons kraft som skulle behöva appliceras på en kvark för att ta bort den från protonen,” förklarade Burkert. “Naturen tillåter oss naturligtvis inte att separera en enda kvark från protonen på grund av en egenskap hos kvarkar som kallas “färg”. Det finns tre färger som blandar kvarkar i protonen för att få den att se färglös ut utifrån, ett krav för dess existens i rymden. Att försöka extrahera en färgad kvarg från protonen kommer att producera ett färglöst kvark/antikvarkpar, en meson, som kommer att använda energin den lägger in för att försöka separera kvarken, vilket lämnar efter sig en färglös proton (eller neutron). Så de 4 ton är en illustration av protonens inneboende kraft.”

Resultatet är bara den andra av protonens mekaniska egenskaper som ska mätas. Protonens mekaniska egenskaper inkluderar dess inre tryck (mätt 2018), dess massfördelning (fysisk storlek), dess rörelsemängd och dess skjuvspänning (visas här). Resultatet var möjligt tack vare en förutsägelse från ett halvt sekel sedan och data från två decennier sedan.

I mitten av 1960-talet var det en teori om att om kärnfysiker kunde se hur gravitationen interagerar med subatomära partiklar, som protonen, skulle sådana experiment direkt kunna avslöja protonens mekaniska egenskaper.

“Men på den tiden fanns det ingen möjlighet. Om man till exempel jämför gravitationen med den elektromagnetiska kraften, så är det 39 storleksordningsskillnader. Då är det helt värdelöst, eller hur?” förklarade Latifa Elouadhrriri, en vetenskapsman vid Jefferson Lab och medförfattare till studien.

Teoretiska grunder och experimentella framsteg

Decennier gamla data kommer från experiment som utförts med Jefferson Laboratorys Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE Office of Science-användaranläggning. Ett typiskt CEBAF-experiment skulle involvera en energisk elektron som interagerar med en annan partikel genom att utbyta ett energipaket och en rörelsemängdsenhet som kallas virtuell.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *