Nieuw onderzoek laat zien hoe de zwaartekracht de kwantumwereld beïnvloedt

By | February 12, 2024

Kernfysici hebben de diepgaande invloed van de zwaartekracht op kwantumschaal ontdekt en voor het eerst de verdeling van de sterke kracht binnen protonen onthuld. Dit baanbrekende onderzoek, dat historische theoretische inzichten combineert met moderne experimentele gegevens, biedt een ongekend inzicht in de interne dynamiek van het proton en legt de basis voor toekomstige ontdekkingen in de nucleaire wetenschap.

Kernfysici van het Jefferson Lab hebben de verdeling van de sterke kracht binnen het proton in kaart gebracht met behulp van een systeem dat verband houdt met de zwaartekracht, waardoor een nieuwe weg voor onderzoek is geopend.

De invloed van de zwaartekracht is onmiskenbaar in het hele waarneembare heelal. De effecten ervan zijn te zien in de gesynchroniseerde banen van manen rond planeten, in kometen die van hun banen afwijken als gevolg van de zwaartekracht van grote sterren, en in de majestueuze spiralen van gigantische sterrenstelsels. Deze prachtige verschijnselen illustreren de rol van de zwaartekracht op de grootste niveaus van materie. Ondertussen ontdekken kernfysici de significante bijdrage van de zwaartekracht op de kleinste materieschalen.

Nieuw onderzoek door kernfysici van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie maakt gebruik van een methode die theorieën over zwaartekracht koppelt aan interacties tussen de kleinste materiedeeltjes om nieuwe details op deze kleinere schaal te onthullen. Onderzoek heeft nu voor het eerst een momentopname onthuld van de verdeling van de sterke kracht in het proton. Deze momentopname beschrijft de schuifspanning die de kracht kan uitoefenen op de quarkdeeltjes waaruit het proton bestaat. Het resultaat is onlangs gepubliceerd in Recensies van de moderne natuurkunde.

Inzicht in de protonstructuur

Volgens de hoofdauteur van het onderzoek, Volker Burkert, hoofdwetenschapper bij Jefferson Lab, geeft de meting inzicht in de omgeving waarin de bouwstenen van het proton leven. Protonen bestaan ​​uit drie quarks die door sterke krachten met elkaar zijn verbonden.

“Op zijn hoogtepunt is dit meer dan een kracht van vier ton die op een quark zou moeten worden uitgeoefend om hem uit het proton te trekken”, legt Burkert uit. ‘De natuur staat ons natuurlijk niet toe om slechts één quark van het proton te scheiden, vanwege een eigenschap van quarks die ‘kleur’ wordt genoemd.’ Er zijn drie kleuren die de quarks in het proton vermengen, waardoor het van buitenaf kleurloos lijkt , een voorwaarde voor zijn bestaan ​​in de ruimte. Als je probeert een gekleurde quark uit het proton te trekken, ontstaat er een kleurloos quark/anti-quark-paar, een meson, en wordt de energie die je verbruikt gebruikt om de quark te scheiden, waardoor er een kleurloos proton (of neutron) overblijft. Dus de 4 ton is een voorbeeld van de sterkte van de kracht die inherent is aan het proton.”

Het resultaat is slechts de tweede mechanische eigenschap van het proton die moet worden gemeten. De mechanische eigenschappen van het proton omvatten de interne druk (gemeten in 2018), de massaverdeling (fysieke hoeveelheid), het impulsmoment en de schuifspanning (hier weergegeven). Het resultaat werd mogelijk gemaakt door een voorspelling van een halve eeuw oud en gegevens van twintig jaar oud.

Halverwege de jaren zestig werd getheoretiseerd dat als kernfysici konden zien hoe de zwaartekracht interageert met subatomaire deeltjes zoals het proton, dergelijke experimenten rechtstreeks de mechanische eigenschappen van het proton zouden kunnen onthullen.

“Maar toen was er geen optie. Als je bijvoorbeeld de zwaartekracht vergelijkt met de elektromagnetische kracht, is er een verschil van 39 ordes van grootte – dus het is volkomen hopeloos, toch?”, legt Latifa Elouadhriri uit, een medewerker van Jefferson Lab en co-auteur van het onderzoek.

Theoretische grondslagen en experimentele doorbraken

De tientallen jaren oude gegevens zijn afkomstig van experimenten die zijn uitgevoerd met de Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) van Jefferson Lab, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. In een typisch CEBAF-experiment zou een energetisch elektron interageren met een ander deeltje door een pakket energie en een eenheid van impulsmoment uit te wisselen, een zogenaamde virtuele eenheid.

Leave a Reply

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