Fyzikům z Jeffersonovy laboratoře v americké Virginii se jako prvním na světě podařilo zmapovat rozložení tlaku uvnitř protonu. To se až do této doby jevilo jako nemožné.
Vědci zjistili, že v centrální části protonu panuje extrémně vysoký tlak, který směřuje ven z protonu. Na jeho okraji naměřili naopak tlak mnohem nižší směřující dovnitř. Za toto rozložení je zodpovědná především jedna ze čtyř základních fyzikálních sil, které uvnitř každého protonu drží pohromadě tři kvarky. Podle teorie silné síly kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné interakce – gluonů. Silná interakce drží pohromadě kvarky v neutronech a protonech a je zodpovědná také za soudržnost atomového jádra.
Interakce kvarků prostřednictvím gluonů odpovídá elektromagnetickým silám, které váží v atomu elektrony pomocí výměny fotonů. Zatímco elektromagnetické síly s rostoucí vzdáleností slábnou, silné jaderné síly se naopak zvětšují. Dostat kvark mimo proton a studovat jeho vlastnosti izolovaně je zřejmě nemožné. Místo toho velmi silný úder na jednotlivý kvark má za následek dodání takového množství energie gluonovému poli, že vznikne nový pár kvark – antikvark. Mohl by vzniknout buď neutron plus mezon, nebo proton plus mezon.
V roce 1996 navrhli fyzici v Marylandu cestu, jak studovat procesy uvnitř protonu. Té se říká specifický Comptonův rozptyl (deeply virtual Compton scattering) a spočívá v tom, že při interakci elektromagnetického záření s atomy pevné látky se mění vlnová délka záření v důsledku předání části energie záření částicím. Tento proces sestává z vysílání vysoce energetických, spinově polarizovaných elektronů na protony. Tyto elektrony si mohou vyměnit určitou energii s protonem ve formě vysoce energetického virtuálního fotonu, který existuje pouze malý zlomek sekundy. Proton následně uvolní část této extra energie ve formě reálného fotonu. Skupina teoreticky prokázala, že pokud by byly detekovány elektron a proton, které prošly procesem rozptylu, a emitovaný foton, pak to stačí k tomu, aby bylo možno určit tlak uvnitř protonu.
Specifický Comptonův rozptyl byl poprvé experimentálně detekován v roce 2000 ve Virginii a nezávisle také německými fyziky. Následně byla provedena řada teoretických i experimentálních studií, jako třeba zjišťování pravděpodobnosti, že tento proces nastane pro spinově polarizované elektrony o různých energiích nebo výpočet vztahu mezi rozptylem a vnitřním tlakem.
V nejnovější práci skupina sledovala všechny tyto veličiny poprvé v jednom experimentu. Aby zjistili vnitřní strukturu protonů, měřili vědci specifický Comptonův rozptyl mezi spinově polarizovaným svazkem elektronů o energii 6 GeV a terčem z kapalného vodíku. Spočítali, že ve středu protonu existuje tlak směřující ven o velikosti přibližně 1035 Pa, což je více než v centru neutronové hvězdy. Ve vzdálenosti 0,6 x 10−15 m (0,6 fm) od středu se síla změní na silně přitažlivou a maxima dosahuje na poloměru 0,8 fm.
Fyzikům se podařilo výrazně prohloubit dosavadní znalosti o poměrech, které panují uvnitř protonu. Z výsledků vědci vyvozují, že pokud by se výkon urychlovače zvýšil ze 6 GeV na 12 GeV, mohlo by to vést k odhalení další záhady, která se týká soudržnosti kvarků. Fyzici mají také v úmyslu hlouběji zkoumat specifický Comptonův rozptyl v neutronech.
Podle všeobecného mínění jde teprve o první krok k určení tlaku kvarků uvnitř protonu. Přestože měření může být zatíženo poměrně značnou chybou, je velmi důležité a mělo by přispět k vytvoření podrobného fyzikálního obrazu protonu. Výzkum rovněž pomohl zobecnit samotný pojem tlak. Ten sjednocuje řadu fyzikálních oborů od vesmíru a kosmologie, kde vládne kosmologická konstanta, přes hvězdy k hydrodynamice, fyzice těžkých iontů, která zkoumá srážky jader s jádry, a teď konečně až k protonům. Fyzici se chystají všechny tyto stupně podrobně studovat.
Původní práce byla uveřejněna v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Přitažlivá a odpudivá síla skyrmionů
Páteřní
implantáty vytvořené 3D tiskem
Seismické
vlny a sloní komunikace
Atomové
magnetometry hledají podvodní objekty