Τα πρωτόνια έχουν περισσότερα κβαντικά «σπλάχνα» απ’ όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα, αλλάζοντας την εικόνα μας για αυτά τα σωματίδια που βρίσκονται στον πυρήνα κάθε ατόμου.
Οι ερευνητές γνωρίζουν εδώ και χρόνια ότι τα πρωτόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα κουάρκ και τα γλουόνια. Όμως οι λεπτομέρειες για τη συμπεριφορά και την κατανομή τους ήταν δύσκολο να αποσαφηνιστούν. Κι όμως, αυτές οι λεπτομέρειες έχουν μεγάλη σημασία, καθώς το πόσο καλά κατανοούμε το εσωτερικό του πρωτονίου επηρεάζει το πόσο σωστά ερμηνεύουμε πειράματα όπου τα πρωτόνια συγκρούονται, με στόχο την αναζήτηση νέων σωματιδίων ή την αποκάλυψη των μυστικών των θεμελιωδών δυνάμεων.
Η σημερινή καλύτερη μαθηματική μέθοδος για την κατανόηση του εσωτερικού του πρωτονίου είναι το μοντέλο των partons. Με αυτό, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν πιθανοκρατικά την πυκνότητα των σωματιδίων μέσα στο πρωτόνιο και να προσδιορίσουν ποια είναι η πιο πιθανή σύνθεσή του σε πειράματα επιταχυντών.
«Το μοντέλο των partons είναι εξαιρετικά ισχυρό: είναι η βασική πηγή όλης της γνώσης μας για την εσωτερική δομή του πρωτονίου. Αλλά αν δει κανείς τη σύγχρονη μορφή του, καταλαβαίνει ότι η εικόνα πίσω από αυτό είναι αρκετά κλασική», λέει ο Alexey Vladimirov από το Complutense University of Madrid. «Αυτό, φυσικά, είναι λάθος, γιατί ξέρουμε ότι υπάρχει η κβαντομηχανική».
Οι ερευνητές έχουν θεωρήσει και αναζητήσει κβαντικά φαινόμενα μέσα στα πρωτόνια από τη δεκαετία του 1980, λέει ο Vladimirov, αλλά με τα χρόνια διαφορετικά πειράματα οδήγησαν σε ασαφή και κατά περιπτώσεις αντιφατικά συμπεράσματα.
Για να αποκτήσουν πιο καθαρή εικόνα, ο ίδιος και οι συνεργάτες του επικεντρώθηκαν σε μία διαδικασία που μπορεί να συμβαίνει μεταξύ κουάρκ και γλουονίων και αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα της κβαντικότητας: την παρεμβολή. Τα κβαντικά σωματίδια έχουν κυματική φύση και η παρεμβολή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο δύο κβαντικά κύματα ύλης επικαλύπτονται και ενισχύονται σε ορισμένα σημεία, ενώ σε άλλα αλληλοαναιρούνται. Μαθηματικά, εκεί όπου κλασικά δύο πιθανότητες θα αθροίζονταν απλώς, όταν υπάρχει παρεμβολή, ο συνδυασμός τους παράγει περισσότερους μαθηματικούς όρους από ένα απλό άθροισμα.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν τρόπο να αντλήσουν μαθηματικές ενδείξεις κβαντικής παρεμβολής από συνδυασμό περισσότερων από δώδεκα πολύ διαφορετικών συνόλων δεδομένων. Για παράδειγμα, ορισμένα δεδομένα προήλθαν από το εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, ενώ άλλα συλλέχθηκαν στο γερμανικό εθνικό εργαστήριο DESY, μέσα από πειράματα αρκετά διαφορετικής φύσης, κανένα από τα οποία δεν είχε σχεδιαστεί για να αναζητήσει παρεμβολή.
«Όλες οι προηγούμενες έρευνες απέτυχαν επειδή οι άνθρωποι προσπάθησαν να εξετάσουν μόνο μία πηγή [δεδομένων]», λέει ο Vladimirov. Αν και ήταν μεγάλη τεχνική πρόκληση να συνδυαστούν όλα τα δεδομένα, το αποτέλεσμα έφερε νέα σαφήνεια. Οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν συγκεκριμένα περιστατικά κβαντικής παρεμβολής μέσα σε ένα πρωτόνιο, όπως η παρεμβολή ενός γλουονίου με έναν συνδυασμό κουάρκ και αντικουάρκ, που είναι το αντισωματίδιό του.
Ο Vladimirov λέει ότι αυτό δείχνει πως οι φυσικοί θα πρέπει να είναι πιο συνειδητοποιημένοι για την κβαντική φύση του πρωτονίου. «Είναι ευρέως αποδεκτό ότι το πρωτόνιο είναι σχεδόν σαν ένα κλασικό σακί με σωματίδια, και το γεγονός ότι αποδεικνύουμε πως δεν είναι έτσι σημαίνει ότι είναι πιο κβαντικό απ’ όσο συνήθως θεωρείται», λέει.
«Η αξία αυτής της μελέτης είναι ότι συγκεντρώνει πολλές πληροφορίες από διαφορετικές πηγές και λέει: “Δείτε, τώρα βλέπουμε με βεβαιότητα ότι αυτά τα κβαντομηχανικά φαινόμενα, αυτά τα μικρά φαινόμενα λόγω κβαντικής παρεμβολής, υπάρχουν στις φυσικές διεργασίες”», λέει ο Vladimir Braun από το University of Regensburg στη Γερμανία.
Αυτή είναι η πρώτη φορά που ολοκληρώνεται μια ανάλυση τέτοιας κλίμακας και θα πρέπει να δώσει ώθηση σε περαιτέρω πειράματα, λέει ο Braun. Για παράδειγμα, μελλοντικά πειράματα σε εγκαταστάσεις όπως το Thomas Jefferson National Accelerator Facility στη Βιρτζίνια θα μπορούσαν να εντοπίσουν επιπλέον ενδείξεις κβαντικής παρεμβολής και να τις συνδέσουν με άλλα φαινόμενα που συμβαίνουν σε γρήγορες συγκρούσεις σωματιδίων.
Αν και ποτέ δεν αμφέβαλε για την κβαντική φύση του πρωτονίου, ο Braun έμεινε και ο ίδιος έκπληκτος από τις λεπτομέρειες των φαινομένων παρεμβολής που φαίνονται πιο καθαρά στη νέα μελέτη. «Δούλευα σε αυτό το είδος φυσικής για 40 χρόνια και περίμενα ότι τα μεγάλα αποτελέσματα θα ήταν σε διαφορετικό σημείο», λέει.
Στο επόμενο διάστημα, η ομάδα θέλει να επεκτείνει το σύνολο δεδομένων και την ανάλυσή της, ώστε να αυξήσει ακόμη περισσότερο τη βεβαιότητα των ευρημάτων της. Υπάρχει επίσης το μεγάλο ερώτημα του πώς ερμηνεύονται τα ευρήματα και πώς μπορεί να αποδοθεί μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα για το πώς είναι πραγματικά το εσωτερικό του πρωτονίου. Για παράδειγμα, το φαινόμενο της παρεμβολής σχετίζεται με το κβαντικό spin των κουάρκ και των γλουονίων, το οποίο μέχρι σήμερα δεν έχει γίνει κατανοητό ούτε μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια.
Οι φυσικοί δεν έχουν επίσης ακόμη λύσει το πώς συνδέεται η παρεμβολή με τις δυνάμεις που δρουν στα κουάρκ και τα γλουόνια, λέει ο Vladimirov. Ειδικά η ισχυρή πυρηνική δύναμη που κρατά τα κουάρκ ενωμένα είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, οπότε η κατανόηση αυτού του ζητήματος θα μας έδινε καλύτερη εικόνα για τους πιο βασικούς νόμους του σύμπαντος.
Physical Review Letters DOI: 10.1103/rd63-hdwp
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
