Fizycy nuklearni potwierdzili, że obecny opis budowy protonów nie jest płynny. Nowy precyzyjny pomiar polaryzowalności elektrycznej protonu, przeprowadzony przez Thomas Jefferson National Accelerator Facility w amerykańskim Departamencie Energii, ujawnił nierówność w danych w próbnikach struktury protonu. Chociaż we wcześniejszych pomiarach powszechnie uważano go za przypadek, ten nowy, dokładniejszy pomiar potwierdził obecność anomalii i rodzi pytania dotyczące jej pochodzenia. Wyniki badań zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie Nature.
Według Ruonana Li, pierwszego autora nowego artykułu i absolwenta Temple University, pomiary elektrycznej polaryzowalności protonu ujawniają, jak podatny jest proton na deformację lub rozciąganie w polu elektrycznym. Podobnie jak rozmiar lub ładunek, polaryzacja elektryczna jest podstawową właściwością struktury protonów.
Co więcej, precyzyjne określenie polaryzowalności elektrycznej protonu może pomóc w połączeniu różnych opisów protonu. W zależności od sposobu sondowania proton może pojawić się jako nieprzezroczysta pojedyncza cząstka lub jako złożona cząstka złożona z trzech kwarków utrzymywanych razem przez silne oddziaływanie.
„Chcemy zrozumieć podstrukturę protonu. Możemy to sobie wyobrazić jak model z trzema zrównoważonymi kwarkami pośrodku” – wyjaśnił Li. „Teraz umieść proton w polu elektrycznym. Kwarki mają ładunki dodatnie lub ujemne. Będą poruszać się w przeciwnych kierunkach. Zatem polaryzowalność elektryczna odzwierciedla, jak łatwo proton zostanie zniekształcony przez pole elektryczne”.
Aby zbadać to zniekształcenie, fizycy jądrowi wykorzystali proces zwany wirtualnym rozpraszaniem Comptona. Rozpoczyna się od starannie kontrolowanej wiązki elektronów energetycznych z zakładu ciągłego akceleratora wiązki elektronów Jefferson Lab, obiektu użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii. Elektrony rozbijają się na protony.
W wirtualnym rozpraszaniu Comptona elektrony oddziałują z innymi cząstkami, emitując energetyczny foton lub cząstkę światła. Energia elektronu określa energię fotonu, który emituje, co również określa, w jaki sposób foton oddziałuje z innymi cząstkami.
Fotony o niższej energii mogą odbijać się od powierzchni protonu, podczas gdy bardziej energetyczne fotony będą wybuchać wewnątrz protonu, aby oddziaływać z jednym z jego kwarków. Teoria przewiduje, że gdy te interakcje foton-kwark zostaną wykreślone od niższych do wyższych energii, utworzą one gładką krzywą.
Nikos Sparveris, docent fizyki na Temple University i rzecznik eksperymentu, powiedział, że ten prosty obraz nie wytrzymuje analizy. Pomiary zamiast tego ujawniły niewyjaśniony jeszcze guz.
„Widzimy, że istnieje pewne lokalne wzmocnienie wielkości polaryzowalności. Polaryzowalność maleje wraz ze wzrostem energii zgodnie z oczekiwaniami. powiedział. „Opierając się na naszym obecnym zrozumieniu teoretycznym, powinien on podążać za bardzo prostym zachowaniem. Widzimy coś, co odbiega od tego prostego zachowania. I to jest fakt, który w tej chwili nas zastanawia”.
Teoria przewiduje, że bardziej energetyczne elektrony bardziej bezpośrednio badają silne oddziaływanie, ponieważ wiąże kwarki, tworząc proton. Ten dziwny skok w sztywności, który fizycy jądrowi potwierdzili w kwarkach protonów, sygnalizuje, że może działać nieznana strona oddziaływania silnego.
„Jest coś, czego wyraźnie brakuje w tym momencie. Proton jest jedynym kompozytowym elementem budulcowym w naturze, który jest stabilny. Tak więc, jeśli brakuje nam czegoś fundamentalnego, ma to implikacje lub konsekwencje dla całej fizyki”, Sparveris Potwierdzony.
Fizycy powiedzieli, że następnym krokiem jest dalsze wyjaśnienie szczegółów tej anomalii i przeprowadzenie precyzyjnych sond w celu sprawdzenia innych punktów odchylenia i dostarczenia większej ilości informacji o źródle anomalii.
„Chcemy zmierzyć więcej punktów przy różnych energiach, aby przedstawić wyraźniejszy obraz i zobaczyć, czy jest tam jakaś dalsza struktura” – powiedział Li.
Sparveris się zgodził.
„Musimy również dokładnie zmierzyć kształt tego wzmocnienia. Kształt jest ważny dla dalszego wyjaśnienia teorii” – powiedział.