Bir Proton Ne Kadar Büyük? Nötrinolar Ağırlaşıyor

Evren hakkında gerçekten ne kadar çok ve ne kadar az şey bildiğimize dair bir ders için protonları düşünün. Bu küçük, pozitif yüklü parçacıkların her atomun çekirdeğinde bulunduğunu ve evrendeki sıradan maddenin çoğunu oluşturduğunu biliyoruz. Bir elektronla eşleştirilmiş bir protonun, periyodik tablodaki ilk element ve yıldızların parlamasını sağlayan yakıt olan hidrojeni yaptığını biliyoruz. Protonların kendilerinin kuark adı verilen daha da küçük parçacıklardan oluşan üçlüden oluştuğunu biliyoruz – bunu kısmen protonları neredeyse ışık hızında birbirine çarpmak için devasa, milyarlarca dolarlık makineler yaparak öğrendik. Protonlar, hem kozmik yaradılışın hem de parçacık fiziğinin beygirleridir – yine de, tüm bunlara rağmen, ne kadar büyük olduklarını bilmek için mücadele ediyoruz.

Yarım asırlık bir çabanın ardından, milenyumun başında fizikçiler bir cevaba yaklaştıklarını düşündüler. Araştırmacılar, her biri protonun elektrik yükünü araştıran iki tür ultra hassas ölçüm kullanarak, parçacığın yarıçapını yaklaşık 0,877 femtometre (bir femtometre, milimetrenin trilyonda biridir) olarak belirledi. Ancak 2010’da yeni, daha da hassas bir elektrik yükü tekniği, protonun yarıçapının hala yaklaşık yüzde 4 daha küçük olduğunu öne sürdü; bu, teorik beklentilerden son derece sapan, görünüşte çok küçük bir tutarsızlıktı.

Çoğu fizikçi, 2019’da özenli takip çalışması parçacığın boyutu için daha düşük bir değere inandırıcı bir şekilde karar verdiğinde, bu “proton yarıçapı bilmecesinin” çözüldüğünü düşündü. (Tutarsızlığın deneysel hatalardan mı yoksa henüz bilinmeyen fiziğin tabelalarından mı kaynaklandığı tartışmaya açık.) Şimdi araştırmacılar, proton büyüklüğünü ölçmek için elektrik yükü yerine nötrinoları içeren yeni ve tamamen bağımsız bir yöntem kullanıyorlar. , fazla. Bulguları yayınlandı Doğa Şubatta.

Bu geçiş önemlidir, çünkü bir proton, kuantum alemindeki her şey gibi, iyi tanımlanmış sınırları olan somut bir nesneden çok, puslu bir olasılıklar bulutudur. Bir protonun nerede başlayıp nerede bittiğini belirleyen fiziksel bir zar yoktur. Bunun yerine, şekil değiştiren bir kuark girdabı vardır ve fizikçiler, protonun boyutunu tahmin etmek için kuark dağılımının haritasını çıkarabilirler. Ancak kuarkların da kendi kaygan, olasılıksal özellikleri vardır; ortaya çıkardıkları yanıtlar tam olarak ne sorulduğuna bağlıdır ve bunları elektrik yükü aracılığıyla sorgulamak, yükü olmayan nötrinolarla araştırma yapmaktan farklı türden bir sorudur. O halde her ikisine de -protonun “elektrik yükü yarıçapı” ve “nötrino yarıçapı”- yanıtlarını almak, proton boyutunun güçlü bir çapraz kontrolüdür.

2019’un bulmaca çözen elektrik yükü yarıçapı sonuçları, büyük ölçüde fizikçilerin proton dolu hidrojene elektron demetleri attığı Newport News, Va.’daki Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinde (Jefferson Lab) yapılan çalışmalardan ortaya çıktı. Fizikçiler, her ışındaki elektronların hidrojen moleküllerinin protonlarından nasıl sektiklerini izleyerek, tek bir proton için elektrik yükü dağılımını, başka bir deyişle boyutunu aşamalı olarak çizebildiler. Elektriksel olarak nötr nötrinolarla bu çizim biraz değişir. Nötrinolar o kadar belirsizdir ki, trilyonlarcası sizinle etkileşime girmeden her saniye elinizden geçer. Bu, meydana gelen herhangi bir etkileşimin çok, çok yakın bir yerde gerçekleştiği ve nötrinoları diğer küçük şeyleri ölçmede faydalı hale getirdiği anlamına gelir.

York Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Tejin Cai, “Bunu her zaman olaylara farklı bakış açıları olarak hayal etmişimdir… evrenimizi bu nötrinolar açısından görmekte çok zorluk çekiyoruz çünkü bunların ölçülmesi çok zor,” diyor. Toronto. Cai, Batavia, Illinois’deki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda (Fermilab) vA Etkileşimlerini İncelemek için Ana Enjektör Nötrino Deneyi’ne (MINERvA) liderlik etti. beyhude olmak (Bir antinötrino, bir nötrinonun antimadde karşılığıdır. MINERvA her ikisini de kullanır, ancak protonlarla etkileşimin sonucunu ölçmek antinötrinolarla daha kolaydır.)

Protonun üç kuark’ı iki türe veya çeşniye ayrılır: iki “yukarı” kuark ve bir “aşağı” kuark. Fermilab’ın küçük, güçlü antinötrinoları bir protona çarptığında, yukarı kuarklarından birini aşağı kuarka dönüştürdüler ve protonu bir nötrona (bir protonun zıt kuark konfigürasyonuna sahip) dönüştürdüler. Fizikçiler, bu yeni nötronun konumuna dayanarak, şekil değiştiren kuarkın dönüşüm anında nerede olduğunu bulmak için geriye doğru çalıştılar ve bu, proton içindeki dağılımı hakkında ipuçları sağladı.

Cai, “Bu ölçümle ilgili beni heyecanlandıran şey, nötrinoları daha önce yalnızca elektronlarla yapabildiğimiz bir şeyi yapmak için kullanabiliyor olmamız,” diyor.

Takımın proton yarıçapı ölçümü 0,73 femtometreydi, hatta 0,84 femtometre elektrik yükü yarıçapından bile daha küçüktü. Her iki durumda da, bir hidrojen atomundan neredeyse 10.000 kat daha küçüktür.

Açık olmak gerekirse, bu belirgin yüzde 13’lük küçülme, elektrik yükü yarıçapı ölçümlerine bir darbe değildir ve göründüğü kadar şok edici değildir. İki ölçüm birbirini tamamlıyor ve küçük protonun büyük bir resmini sunmak için birlikte çalışıyor. Maddenin farklı dağılımlarını ölçtüklerinden, tutarsızlık, önceki yüzde 4’lük büzülmenin yaptığı gibi proton anlayışımıza meydan okumaz. Bunun yerine bu anlayışa katkıda bulunur.

MINERvA’nın eş sözcüsü Deborah Harris, “Bu ölçümü gerçekten ilginç kılan şey, elektromanyetik proton yarıçapının elektron ölçümleriyle uyuşup uyuşmadığı değil, aynı fikirde olmak zorunda olmamasıdır” diyor. deney. Bunun nedeni, nötrinoların yukarı kuarklarla aşağı kuarklarla etkileşime girme şeklinin, kuarkların elektronlarla etkileşime girme şeklinden çok farklı olmasıdır. Elektromanyetik bir etkileşim yerine, nötrinolar zayıf kuvvet adı verilen farklı bir kuvvetle etkileşime girer. (Ama isminin sizi aldatmasına izin vermeyin – zayıf kuvvet atom altı mesafelerde oldukça güçlüdür!)

Aslında, tabiri caizse protonun “zayıf yük” yarıçapı ve elektrik yük yarıçapı, belirsizlik aralıkları içinde birbirleriyle uyumludur ve yarıçapların benzer olması özellikle şaşırtıcı değildir. Elektron saçılma deneyleri, bir elektronun bir kuarkın yüküne dokunduğu yeri ölçer ve nötrino deneyleri, bir antinötrinonun bir kuarkın lezzetini değiştirdiği yeri ölçer. Bu iki bölge birbirine yakın olmalıdır çünkü her ikisi de bir kuarkın şekil değiştiren bulutunun konumuna bağlıdır. Ancak, belki de protonun yapısının güncellenmiş bir anlayışından daha etkili olan, yeni çalışmanın nötrinoların gelecekte nasıl kullanılabileceğine dair çıkarımlarıdır.

Elektrik yükünün yazarlarından biri olan North Carolina Tarım ve Teknik Devlet Üniversitesi’nden fizikçi Ashot Gasparian, “Bu yeni ölçüm, bizimkiyle aynı derecede, hatta belki daha da önemli çünkü yeni bir tür etkileşimi ele alıyor” diyor. Jefferson Lab’de yarıçap çalışması. Bu etkileşimlerin, nötrinoların sonsuz küçük kütlelerini nasıl elde ettiklerinin gizemi gibi, proton yarıçapının yanı sıra fizikteki diğer büyük problemlerin anlaşılmasında önemli olduğunu söylüyor.