دراسة جديدة تكشف أن البروتونات تحتوي على ضغط أكثر بـ 10 أضعاف ضغط النجم النيوتروني

في ما كان يعتقد في يوم من الأيام أنه مهمة مستحيلة ، لأول مرة وضع الفيزيائيون صورة عن الضغط داخل البروتون – وهو أكثر إثارة للإعجاب مما كنا نتصوره.

من خلال إطلاق البروتونات بالإلكترونات عالية الطاقة، قام الباحثون بقياس دفع وسحب ثلاثي الكواركات من البروتونات، مما يوفر رؤى قيّمة حول واحدة من أكثر كتل البناء استقرارًا في الكون.

تقارن الفيزيائية لطيفة الودرحي من منشأة توماس جيفرسون الوطنية للتعجيل بفهمنا السابق لبنية البروتون إلى بنية قلب الإنسان. لا يمكن للإصغاء إلى إيقاعها أن يخبرك إلا بالكثير عن كيفية عمله.

“لدينا تكنولوجيا التصوير الطبي 3D التي تسمح الآن للأطباء لمعرفة المزيد بطريقة غير الغازية بنية القلب” ، قالت الودرحي ذلك لمراسلة الطبيعة ليزي جيبني.

“وهذا ما نريد القيام به مع الجيل الجديد من التجارب”. لقد فهمنا لبعض الوقت الآن أن البروتونات مصنوعة من ثلاثة كواركات – اثنتان من الصنف “المتصاعد”، أحدهما يوصف بأنه “منخفض” – مرتبطان ببعضهما البعض بشيء يسمى القوة النووية القوية.

أبعد من ذلك، كان الهيكل الداخلي للبروتون لفترة طويلة لغزًا. من الواضح أن الكواركات الخاصة بها متماسكة بإحكام، ولكن يجب أن يكون هناك نوع من التنافر يمنعها من الانهيار إلى نقطة معينة.

ولقياس مدى تضافر هذه الأجزاء، جمع الباحثون بين إطارين نظريين مختلفين، اعتبر أحدهما عمليًا مستحيل التنفيذ بشكل مباشر.

يتم ترميز الطاقة والزخم في الأجزاء الداخلية من البروتون فيما يسمى بعوامل شكل الجاذبية. الجاذبية هي قوة ضعيفة بجنون لا يكاد يفكر بها في فيزياء الجسيمات، وليس عندما تكون هناك قوى أقوى في العمل. ولكن في عمق البروتون، يمكن أن يتأثر مجال الجاذبية بقدرة الجسيم وزخمه.

لقد كانت واحدة من تلك الأشياء “فكرة جميلة من الناحية النظرية، للأسف”. في ورقة عام 1966 للفيزيائي الأمريكي هاينز باغلز وصف فيها العملية في الوقت الذي استبعد فيه التطبيق العملي بفضل الضعف الشديد للجاذبية.

ما لم يتوقعه باغلز هو تطوير إطار نظري يربط سلوكيات القوة الكهرومغناطيسية بعوامل شكل الجاذبية.

بعبارة أخرى، تم اكتشاف لاحقًا أن الإلكترونات يمكن أن تحل محل مسبار الجاذبية.”هذا هو جمالها. لديك هذه الخريطة التي تعتقد أنك لن تحصل عليها أبداً” ، كما يقول الإوديرهيري. “لكننا هنا، نملئها بهذا المسبار الكهرومغناطيسي.”

كان المفتاح هو استخدام تشتت كومبتون، الذي يصف التفاعل بين فوتونات الضوء والجسيم المشحون، مثل الإلكترون.

في هذه الحالة، قاموا بزيادة تسارع الإلكترون لتضييق طوله الموجي بما يكفي لاختراق بروتون.

ثم راقبوا تشتت الفوتونات التي تم إنتاجها، وجمعوا تفاصيلها مع معلومات حول البروتون والإلكترون المتسارع لتحديد كيفية تفاعل الكواركات مع القصف.

قدم هذا الانتثار خريطة للطاقة والزخم لوصف ضغط شديد في مركز البروتون الذي يمنعه من الانهيار. كان الالتفات إلى هذه الدفعة بمثابة ضغط متساوٍ يبقي الكواركات معاً. وتبين أن هذا عناق الكوارك يساوي 100 ديسيبل باسكال. الذي يعني واحد متبوعًا ب 35 صفر.

تخيل نجمًا نيوترونيًا، حيث يتم ضغط المادة بما يكفي لضغط أحد الجبال إلى تل صغير بما يكفي لملء ملعقة صغيرة. يقول الفريق أن ضغط الكوارك هذا أكبر بعشر مرات، مما يجعل لب البروتون مساحة مكثفة للغاية.

الخطوة التالية للفريق هي الاستمرار في استخدام هذه العملية لبناء مزيد من الفهم لميكانيكا البروتون الداخلية، وحساب قوتها وفي النهاية بناء صورة لكيفية تحرك الكواركات حولها.

معرفة المزيد عن أحشاء البروتون يمكن أن تخبرنا أكثر عما إذا كانت البروتونات تتحلل.

تبدو الآن مستقرة بما يكفي لسدوم الكون (ومن ثم البعض)، ولكن تحديد كيف ومتى ينهار سوف يوفر أدلة قيمة على بعض الميزات الأساسية للكون.

المصادر: 1