Więcej pyłu supernowej niż oczekiwano w Układzie Słonecznym

Fizycy eksperymentalnie wyodrębnili siłę oddziaływania silnego, wielkość, która silnie wspiera teorie o tym, jak powstaje cała masa, czyli zwykła materia we wszechświecie.

Wielkość ta, znana jako silne sprzężenie sił, opisuje siłę, z jaką dwa obiekty lub „pary” oddziałują pod wpływem tej siły. Silne sprzężenie sił zmienia się wraz z odległością między cząstkami, na które oddziałuje siła.

Przed tymi badaniami, przeprowadzonymi przez naukowców z ośrodka Thomas Jefferson National Accelerator, istniały różne teorie dotyczące tego, jak powinno zachowywać się sprzężenie silnych sił na długich dystansach: niektórzy oczekiwali, że powinno rosnąć wraz z odległością, inni powinno się zmniejszać, a jeszcze inni, że powinno Zwiększać się wraz z odległością, powinna stać się stała.

Korzystając z danych z Laboratorium Jeffersona, fizycy byli w stanie określić siłę sprzężenia sił na największych dotychczas odległościach. Ich wyniki, które dostarczają empirycznego wsparcia dla przewidywań teoretycznych, pojawiły się niedawno na okładce czasopisma Particles.

Dziewięćdziesiąt dziewięć procent zwykłych oddziaływań masowych pochodzi ze zjawisk związanych z oddziaływaniem silnym, jedną z czterech podstawowych sił fizyki cząstek elementarnych, która łączy mniejsze cząstki zwane kwarkami z większymi cząstkami zwanymi protonami i neutronami, które tworzą jądra atomów zwykłej materii .

Przy mniejszych odległościach między kwarkami silne sprzężenie sił jest niewielkie i fizycy mogą je rozwiązać w standardowy sposób iteracyjny. Jednak przy większych odległościach silne sprzężenie sił staje się tak duże, że metoda iteracyjna przestaje działać.

„To jednocześnie przekleństwo i błogosławieństwo” – powiedział w oświadczeniu Alexandre Dior, naukowiec z Jefferson Laboratory i jeden z autorów artykułu badawczego. „Chociaż musimy użyć bardziej złożonych technik do obliczenia tej wielkości, jej bezwzględna wartość prowadzi do wielu bardzo ważnych pojawiających się zjawisk”.

Pomimo wyzwania, jakim jest niemożność zastosowania metody iteracyjnej, Dior i jego zespół wyodrębnili silne sprzężenie sił na większych odległościach między dotkniętymi ciałami.

Wydobyli tę wartość z kilku eksperymentów Jefferson Lab, które w rzeczywistości zostały zaprojektowane do badania czegoś zupełnie innego: spinu protonów i neutronów.

Eksperymenty te wystrzeliły spolaryzowaną wiązkę elektronów Jeffersona na spolaryzowane cele protonowe lub neutronowe. W ciągu następnych kilku lat analizy danych naukowcy zdali sobie sprawę, że mogą połączyć zebrane informacje o protonie i neutronie, aby wydobyć silne, silne sprzężenie na większe odległości.

„Tylko wysokowydajna spolaryzowana wiązka elektronów z Jefferson Lab, w połączeniu z postępami w spolaryzowanych celach i systemach detekcji, pozwoliła nam uzyskać takie dane” – powiedział Chen.

Odkryli, że wraz ze wzrostem odległości między dotkniętymi obiektami, silne sprzężenie sił szybko rośnie, zanim ustabilizuje się i stanie się stabilne.

„Istnieją pewne teorie, które spekulują, że tak może być, ale jest to pierwszy eksperymentalny czas, kiedy to widzieliśmy” – powiedział Chen. „To daje nam szczegółowe informacje o tym, jak faktycznie działa silne oddziaływanie, w skali kwarków, które tworzą protony i neutrony”.

Eksperymenty te przeprowadzono około 10 lat temu, kiedy wiązka elektronów Jefferson Lab była w stanie dostarczyć elektrony o energii do 6 GeV (teraz jest w stanie dostarczyć do 12 GeV). Wiązka elektronów o niższej energii była potrzebna do zbadania intensywnej siły na tych większych odległościach: sonda o niższej energii umożliwia dostęp do dłuższych skal czasowych, a tym samym większych odległości między dotkniętymi cząstkami.

Podobnie potrzebna jest sonda o wyższej energii, aby przybliżyć obraz krótszych skal czasowych i odległości między mniejszymi cząstkami. Laboratoria z wiązkami wysokoenergetycznymi, takie jak CERN, Fermilab i akcelerator SLAC, przetestowały już silne sprzężenie sił w tych mniejszych skalach czasoprzestrzeni, gdy ta wartość jest stosunkowo niewielka.

Powiększony obraz dostarczony przez wysokoenergetyczne wiązki pokazał, że masa kwarka jest niewielka, zaledwie kilka MeV. Przynajmniej to jest twoje podręcznikowe ciasto. Ale kiedy badane są niskoenergetyczne kwarki, ich masa skutecznie wzrasta do 300 megaelektronowoltów.

Dzieje się tak, ponieważ kwarki podczas pokonywania dużych odległości tworzą chmurę gluonów, czyli cząstki przenoszącej silne oddziaływanie. Efekt generowania masy przez tę chmurę odpowiada za większość masy wszechświata; Bez tej dodatkowej masy masa kwarków szkolnych może stanowić tylko około 1% masy protonów i neutronów. Pozostałe 99% pochodzi z tej zdobytej masy.

Podobnie, jedna z teorii zakłada, że gluony są bezmasowe na krótkich dystansach, ale efektywnie zyskują masę, gdy podróżują dalej. Normalizacja silnego sprzężenia sił na dużych odległościach wspiera tę teorię.

„Jeśli gluony pozostaną bezmasowe na długich dystansach, silne sprzężenie sił będzie nadal rosło w niekontrolowany sposób” – powiedział Dorr. „Nasze pomiary pokazują, że silne sprzężenie sił staje się stałe wraz ze wzrostem badanej odległości, co jest znakiem, że gluony zyskały masę dzięki temu samemu mechanizmowi, który daje protonowi 99% masy i neutronowi.

Oznacza to, że sprzężenie silnych sił na duże odległości jest ważne dla zrozumienia tego mechanizmu generowania masy. Wyniki te pomagają również w walidacji nowych sposobów rozwiązywania równań chromodynamiki kwantowej (QCD), przyjętej teorii opisującej silne oddziaływanie.