Фізики вперше виміряли тиск всередині елементарної частинки

Вчені вперше експериментально виміряли тиск всередині протона. Це перше дослідження такого роду, проведенt з елементарною частинкою. Про досягнення повідомляє наукова стаття, опублікована в журналі Nature командою на чолі з Фолкером Буркерт (Volker Burkert) з Лабораторії Джефферсона в США.

Як відомо, протон складається з кварків. Останні частки не можуть існувати у вільному вигляді. Вони завжди утворюють певні комбінації, однією з яких і є протон. Це явище відоме під назвою конфайнмент.

Конфайнмент давно цікавить фізиків, оскільки це властивість в буквальному сенсі забезпечує стабільність всієї речовини у Всесвіті, не дозволяючи тому ж протону розпадатися на окремі кварки. Однак заглянути всередину елементарної частинки і побачити, що там робиться, - завдання не з легких.

У певному сенсі його вирішують сучасні прискорювачі, такі як Великий адронний коллайдер. Розганяючи протони і зіштовхуючи їх між собою, вчені стежать, які при цьому виникають частинки. Це дозволяє їм робити висновки про будову елементарних частинок взагалі і протона зокрема.

Але цей метод має свої обмеження. Наприклад, він не дозволяє з'ясувати механічні властивості протона: розподіл тиску, механічної  напруги і так далі.

Є, втім, ще один інструмент. Але до недавнього часу він вважався гіпотетичним. Будь-яка матерія у Всесвіті схильна до гравітаційного  тяжіння. Будь воно досить сильним, деякі аспекти будови протона можна було б з'ясувати, спостерігаючи, як він поглинає Гравітон (гіпотетичні частинки, що переносить гравітаційна взаємодія). Зокрема, можна було б виміряти і тиск.

На жаль, маса окремого протона так мала, що в доступному для огляду майбутньому немає ніякої надії виміряти діючу на нього гравітаційну силу. Однак фізики знайшли несподіваний вихід з положення.

Як пояснюється в прес-релізі дослідження, в одній з попередніх робіт було показано, що при певних умовах існує аналог "скануванню" за допомогою Гравітон. Мова йде про процес, який називається глибоким віртуальним комптонівським розсіюванням.

При цьому електрон проникає в протон і віддає кварку віртуальний фотон. Через деякий час кварк повертає отриману енергію, випромінюючи новий віртуальний фотон.

Кожен фотон має спін, рівний 1. В даному випадку пара віртуальних фотонів еквівалентна Гравітон, спін якого дорівнює 2.

Це дозволило вченим, "обстрілюючи" протон електронами, з'ясувати тиск всередині частинки. Виявилося, що в радіусі 0,6 фемтометра від центру протона тиск досягає 1035 паскалів. До слова, це приблизно в десять разів більше тиску, який, як вважається, панує в центрі нейтронної зірки. А адже це найщільніші з відомих нам природних об'єктів. Крім, звичайно, чорних дір. Але в їхньому випадку взагалі важко говорити про певну щільності: відповідно до рівнянь, вона звертається в нескінченність.

Сила, створює тиск в центрі протона, спрямована до периферії і умовно кажучи, не дає кваркам злипатися. Ближче до "поверхні" напрямок сили змінюється: тут це тяжіння, яке утримує кварки в протоні. Тиск в цій області набагато менше.

"Ми надаємо спосіб візуалізації величини і розподілу сил сильної взаємодії всередині протона. Це відкриває абсолютно новий напрямок в ядерній фізиці і фізиці частинок, який можна дослідити в майбутньому", - резюмує Буркерт.