Маленькие вещи, как водится, таят в себе массу загадок. Кварки — строительные «блоки», из которых состоят протоны — находятся под давлением в 100 дециллионов Паскалей вблизи геометрического центра протона. Эта фантастическая цифра примерно в 10 раз больше давления, которое может быть в центре нейтронной звезды.
Нереальное давление: внутри протона оно выше, чем в центре звезды
Внутри каждого протона в атоме давление намного больше, чем в самом сердце нейтронной звезды!
Кварки и звезды
Чрезвычайно высокое давление, направленно вовне, а более низкое давление на переферии направлено к центру протона.
100 дециллионов — это 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Распределение протона внутри протона зависит от глюонов — частиц, которые представляют собой метафорический «клей» между кварками, удерживающий их вместе и таким образом формирующий протон. Для того, чтобы измерить давление внутри протона, ученые обратились к такому понятию, как его форм-фактор. Оно появилось в 1966 году, но тогда было представлено лишь в качестве гипотезы. Говоря кратко, форм-фактор описывает механическую структуру протона, как если бы исследователи могли изучить его с помощью силы тяжести. Гравитационные зонды ученые еще не изобрели, но их заменили новейшие электромагнитные устройства.
Изучение структуры протона
Установка для разгона электронов
«Это просто прекрасно. У нас есть карта протона, создание которой раньше казалось физикам невозможным», — уверяет Латифа Элуадрихири, научный сотрудник лаборатории Джефферсона. Чтобы создать ЭМ-зонд, ученые использовали непрерывный ускоритель электронов (CEBAF). Он производит пучки электронов, которые затем «бомбардируют» ядра атомов. Как только электроны попадают в ядра, они вступают во взаимодействие с кварками через так называемое «глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние» (DVCS). В процессе этого электрон входит в протон и обменивается виртуальным фотоном (так называется нарушение в поле, которое хоть и представляет собой весьма реальное явление, но не может существовать отдельно от общей системы) с кварком. В результате этого энергия переносится на кварк (а значит и на протон), что в конечном итоге высвобождает эквивалентное количество энергии в форме другого фотона.
«Один фотон входит, другой выходит... Зная это, можно повторить аналогичный процесс и для гравитационных форм-факторов, которые представляют собой механическую структуру протона», — объясняет Франсуа-Ксавье Жирод, научный сотрудник лаборатории Джефферсона. В идеале ученые хотят снизить уровень определенности Гейзенберга для этого процесса. Но и сам процесс глубокого изучения кварков дает представление об их уникальной природе. При этом, несмотря на колоссальное давление, они даже не смогут существовать вне протона!