Ταξίδι στο κέντρο του πρωτονίου

Οχρόνος που φεύγει ήταν πολύ γόνιμος σε ό,τι αφορά το πρωτόνιο. Οι έρευνες που γίνονται σχετικά με τη δομή ενός από τα πλέον σταθερά αλλά και πολύπλοκα σωματίδια στο Σύμπαν ήταν εντατικές και αποδοτικές. Δομή και συνεπακόλουθη συμπεριφορά, παρ’ όλες τις δυσκολίες που παρουσιάζουν, φωτίστηκαν περισσότερο, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στην κβαντική φυσική.

Μα δεν είναι το πρωτόνιο ένα απλό θετικά φορτισμένο σωματίδιο στον πυρήνα των ατόμων, όπως μάθαμε στο Λύκειο; Δεν το αποτελούν τρία κουάρκ, όπως μπορεί να το παρουσιάζουν κάπως πιο αναλυτικά στο Πανεπιστήμιο; Δεν είναι αυτά τα τρία κουάρκ που κινούνται με δαιμονιώδη τρόπο και συνολικά η μάζα του είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών των τριών συστατικών του, όπως περιγράφεται στο Διαδίκτυο;

Από το αρκετά απλό πρότυπο δομής που περιέγραψαν το 1964 οι Γκελ-Μαν και Τζβάιγκ με τρία κουάρκ, το πλάνο έχει ανοίξει. «Βλέπουμε» πλέον πράγματα (αλλά όχι θαύματα) στο εσωτερικό του πρωτονίου, ενός σωματιδίου με διαστάσεις μικρότερες από 1 χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου (<10-15 m). Πρωταγωνιστούν εκεί δύο κουάρκ, που ονομάζονται «άνω ή u» και έχουν φορτία (+2/3) το καθένα και ένα «κάτω ή d» με φορτίο (-1/3). Αλλά στη σκηνή ανεβαίνουν πολύ περισσότεροι όπως θα δούμε.

Το μέγεθος ενός πρωτονίου  δεν ξεπερνά το ένα χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου!

Παρατηρώντας μια έξαρση

Στο περιοδικό «Nature», διάσημο για την αυστηρότητά του, εμφανίστηκε στις 19 Οκτωβρίου εργασία με τίτλο: «Measured proton electromagnetic structure deviates from theoretical predictions». Δύσκολο αν δεν είσαι ειδικός να καταλάβεις τη σημασία της. Η απόκλιση που αναφέρεται στον τίτλο της εργασίας έχει σχέση με την πολωσιμότητα του πρωτονίου, στην ουσία με το πόσο εύκολα παραμορφώνεται όταν βρεθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Στις σχετικές γραφικές παραστάσεις που προέκυψαν από την απεικόνιση των μετρήσεων σε κατάλληλες γραφικές παραστάσεις εμφανίζεται κάπου κάποια «έξαρση» της καμπύλης, ένα απροσδόκητο μικρό ξεπέταγμα προς τα επάνω, που όμως αν δεν είναι μέσα στα όρια του στατιστικού λάθους μπορεί να σημαίνει πολλά.

Αναπάντητα ερωτήματα

Πόσο πολλά; Το ΒΗΜΑ-Science, σε σχέση με τα όσα γίνονται αυτή τη στιγμή επάνω στη δομή του πρωτονίου, ζήτησε τη βοήθεια του κ. Γιώργου Λάσκαρη, πυρηνικού πειραματικού φυσικού, διδάκτορα του Πανεπιστημίου Ντιουκ και μεταδιδακτορικού ερευνητή στο Στάνφορντ και στο ΜΙΤ. Πρώτα από όλα ο κ. Λάσκαρης μας επιβεβαίωσε το ότι για το πρωτόνιο ακόμη υπάρχουν πολλά ανοιχτά θέματα. Γιατί έχει αυτή τη μάζα; Πώς γίνεται όταν τα κουάρκ που το αποτελούν είναι μεταξύ 2 και 5 MeV/c2 (οι μάζες μετριούνται σε ισοδύναμα ενέργειας με βάση τη σχέση ισοδυναμίας μάζας – ενέργειας του Αϊνστάιν) η συνολική μάζα του, μετρημένη με ακρίβεια, να βγαίνει στα 938 MeV/c2; Τι σωματίδια βρίσκονται και κινούνται κάθε στιγμή στο εσωτερικό του; Ποια ακριβώς είναι η ακτίνα του πρωτονίου; Με το τελευταίο αυτό να είναι ένα ακόμη ερώτημα που απασχολεί εδώ και δεκαετίες τη διεθνή επιστημονική κοινότητα, όντας γνωστό και ως ο γρίφος της ακτίνας του πρωτονίου (Proton Radius Puzzle).

Πειραματική προσέγγιση

Στην ερώτηση για το πώς καταλήγουμε να «βλέπουμε» μέσα στο πρωτόνιο αναφέρει τα εξής: Για να πάρουμε μια «φωτογραφία» από το εσωτερικό του πρωτονίου (που δεν είναι βέβαια φωτογραφία αλλά μετρήσεις της ορμής των σωματιδίων μέσα στο πρωτόνιο και απεικόνιση μέσω γραφικών παραστάσεων) χρειαζόμαστε άλλα σωματίδια-βλήματα τα οποία επιταχύνονται μέσω επιταχυντών σε υψηλές ενέργειες. Στο εσωτερικό του πρωτονίου βρίσκονται τρία κουάρκ. Συνδεόμενα μεταξύ τους πολύ ισχυρά λόγω του αέναου πήγαινε και έλα άλλων σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια. Τα γκλουόνια λειτουργούν ως «κόλλα» και υλοποιούν τη λεγόμενη ισχυρή αλληλεπίδραση. Χαρακτηριστικό της ισχυρής αλληλεπίδρασης είναι ότι αντίθετα με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που εξασθενεί όσο πιο μακριά βρίσκονται τα φορτισμένα σωματίδια, αυτή η δύναμη γίνεται ισχυρότερη, μέχρι ένα σημείο, όσο τα σωματίδια απομακρύνονται μεταξύ τους.

«Μετρώντας» τον χαμό!

Στην προαναφερόμενη μέτρηση χρησιμοποιήθηκαν ως σωματίδια-βλήματα ηλεκτρόνια που διεισδύουν στο εσωτερικό του πρωτονίου. Εκεί συγκρούονται με τα κουάρκ μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Virtual Compton Scattering. Τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται, δηλαδή εκτρέπονται από το εσωτερικό του πρωτονίου, και οι ερευνητές είναι πλέον σε θέση να μετρήσουν με αρκετή ακρίβεια την ορμή των σκεδαζόμενων σωματιδίων, αποδίδοντας έτσι μια λεπτομερέστατη εικόνα της εσωτερικής δομής του πρωτονίου.

Από αυτά τα αποτελέσματα προκύπτουν καμπύλες γνωστές ως PDFs (Parton Distribution Functions) ή αλλιώς Κατανομές των Μερών που αποτελούν το πρωτόνιο (τον όρο «Parton» καθιέρωσε ο Richard Feynman και προκύπτει από τη λέξη part=μέρος). Εδώ partons είναι οποιαδήποτε σωματίδια συγκροτούν το πρωτόνιο. Και έχει διαπιστωθεί και από προηγούμενες εργασίες και άλλες του 2022 ότι στο εσωτερικό του πρωτονίου γίνεται χαμός!

Βρίσκοντας την ορμή και την τροχιά των σκεδαζόμενων ηλεκτρονίων μπορεί να προκύψει το αν το ηλεκτρόνιο έπεσε επάνω σε κουάρκ που του «χρεώνεται» μεγάλο ποσοστό της συνολικής ορμής του πρωτονίου ή σε κάποιο θραύσμα. Με τη βοήθεια πολυάριθμων κρούσεων επιτυγχάνεται μια «απογραφή» και βγαίνει ένα συμπέρασμα για το αν η συνολική ορμή του πρωτονίου οφείλεται σε μικρό αριθμό κουάρκ ή σε πολύ μεγαλύτερο.

Ο ρόλος των γκλουονίων

Αλλά μια στιγμή, δεν έχουμε καταλήξει ότι τρία μόνο είναι τα κουάρκ που συγκροτούν το πρωτόνιο; Ναι, τόσα βρίσκουμε όταν στέλνουμε υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του. Τα γκλουόνια όμως, μέσα στην αέναη και ακανόνιστη κίνησή τους, αποδεικνύεται και θεωρητικά (Χρωμοδυναμική Θεωρία) ότι μπορεί να αποκτούν μερικές φορές αρκετή ενέργεια ώστε να διασπώνται σε ένα κουάρκ και σε ένα αντικουάρκ, διαθέτοντας και κάποια μικρή σχετικά ορμή. Οι πειραματικοί φυσικοί ήδη από τις αρχές του 21ου αιώνα το είχαν διαπιστώσει αυτό και τώρα ξέρουμε πως μέσα στο πρωτόνιο σε κάποιες στιγμές έχουμε μια θάλασσα από κουάρκ, γκλουόνια, αντικουάρκ, σε ακαθόριστο αριθμό, να συμβάλλουν όλα μαζί στη συνολική ορμή του πρωτονίου. Και δεν είναι μόνο αυτό. Από τους έξι διαφορετικούς τύπους κουάρκ εμφανίζονται πιο πολύ όσα ανήκουν στην κατηγορία «γοητευτικό» (charm). Αυτά όμως έχουν σχεδόν 500 φορές μεγαλύτερη μάζα από τα «άνω» και κάτω» κουάρκ. Με αποτέλεσμα ξαφνικά το ηλεκτρόνιο-βλήμα να βρίσκεται αναπάντεχα μπροστά σε πέντε κουάρκ κατανεμημένα σε δύο ομάδες. Τη μια να αποτελούν ένα «πάνω», ένα «κάτω», ένα «γοητευτικό» και την άλλη ένα «πάνω» και ένα «γοητευτικό» αντικουάρκ. Και όλο αυτό το πακέτο με πολύ μεγάλη συνολικά μάζα. Αρα οι συγκρούσεις και οι «φωτογραφίες» που προκύπτουν είναι ποικίλες και εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες. Ετσι το «σταθερότατο» κατά τα άλλα πρωτόνιο διατηρεί ακόμη αρκετά μυστήρια συμπεριφοράς.

Απέναντι στην παραπάνω εικόνα ο συνομιλητής μας παραμένει ψύχραιμος διότι υπάρχουν αρκετές ενδείξεις πλέον για το ευμετάβλητο και την ποικιλομορφία στο εσωτερικό των πρωτονίων. Εχουμε ακόμη πολλά να κατανοήσουμε σχετικά και γι’ αυτό κλείνει τη συζήτηση εκφράζοντας την άποψη πως, αν εκείνη η μικρή απόκλιση στην προαναφερόμενη μέτρηση δεν είναι αποτέλεσμα στατιστικής διακύμανσης, ίσως ανοίγει την πόρτα για καινούργια Φυσική.

ΈΝΤΥΠΗ ΕΚΔΟΣΗ ΤΟ ΒΗΜΑ