Jos nousit taikakoulubussiin ja aloitit kutistumisen - pienemmän kuin muurahainen, ampee tai yksittäinen solu - ja kutistuit sitten jatkuvasti, kunnes yksittäiset atomit olivat yhtä suuria kuin kokonaiset maailmat ja jopa niiden rakennehiukkaset vetivät sinua - sinun olisi astu maailmaan, joka kupli valtavia, ristiriitaisia paineita.
Protonin keskellä paine, joka on suurempi kuin neutronitähden sisällä, paiskaisi sinut kohti hiukkasen reunaa. Mutta protonin ulkorajoilla tasainen ja vastakkainen voima työntäisi sinua kohti protonin keskustaa. Matkan varrella puskuroidaan sivuttain liikkuvia leikkausvoimia, jotka ylittävät selvästi kaiken, mitä kukaan ihminen koskaan kokee elämänsä aikana.
Uusi artikkeli, joka julkaistiin 22. helmikuuta lehdessä Physical Review Letters, tarjoaa kaikkein kattavimman kuvauksen protonin sisäisistä kilpailevista paineista, ei pelkästään sen kvarkkien - hiukkasten, jotka antavat protonille sen massan -, vaan sen gluonien, suhteen massaton hiukkasia, jotka sitovat nuo kvarkit yhteen.
Tämä kupliva, kiehuva kvantitila
Protonien selkeät kuvaukset käsittävät vain kolme kvarkkia, joita pitää yhdessä nippu gluoneja. Mutta nämä kuvaukset ovat puutteellisia, sanoi tutkimuksen avustaja Phiala Shanahan, fyysikko Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Protoni koostuu joukosta gluoneja ja sitten oikeastaan joukosta kvarkeja", Shanahan kertoi Live Science: lle. "Ei vain kolmea. Siellä on kolme pääkvarkkia ja sitten mikä tahansa määrä kvarki-antiikkarkparia, jotka ilmestyvät ja katoavat ... ja kaikki tämän kuplivan, kiehuvan kvanttitilan monimutkaiset vuorovaikutukset tuottavat paineen."
Shanahan ja kirjoittaja William Detmold, joka on myös MIT: n fyysikko, havaitsivat, että gluonit tuottavat noin kaksi kertaa enemmän painetta kuin protonin sisäiset kvarkit ja että tämä paine on jakautunut laajemmalle alueelle kuin aiemmin tiedettiin. He havaitsivat, että protonin kokonaispaine huipussaan 100 desillion (tai yhden kanssa 35 nolla sen jälkeen) paskaalia - tai noin 260 sekstillionia (tai 26, jossa sen jälkeen on 22 nollaa) kertaa paine maapallon keskustassa.
Kriittisesti, tämä paine osoittaa kahteen eri suuntaan.
"Siellä on positiivisen paineen alue, joten on oltava myös negatiivisen paineen alue", hän sanoi. "Jos olisi vain positiivisen paineen alue, protoni laajenisi edelleen eikä se olisi vakaa."
Erittäin iso laskelma
Mutta niin valtavia kuin nämä paineet ovat, tutkijoilla ei ole mitään tapaa mitata niitä suoraan useimmissa olosuhteissa. Koettaaksesi protonien sisätilat, tutkijat pommittavat niitä vielä tiukemmilla elektroneilla erittäin suurilla energioilla. Prosessissa ne vaihtavat protoneja. Yksikään tunnettu kokeilu ei paljasta protonin sisällä matalilla energioilla, joita he yleensä kokevat.
Joten tutkijat luottavat Quantum Chromodynamics (QCD) -teoriaan - joka kuvaa kvarkeja ja vahvoja voimaa kantavia gluoneja, jotka sitovat ne yhteen. Tutkijat tietävät, että QCD toimii, koska korkeaenergiset kokeet täyttävät sen ennusteet, Detmold sanoi. Mutta alhaisilla energialähteillä heidän on luotettava matematiikkaan ja laskelmiin.
"Valitettavasti on vaikea tutkia analyyttisesti yhtälöiden kirjoittaminen kynällä ja paperilla", Shanahan sanoi.
Sen sijaan tutkijat kääntyvät supertietokoneisiin, jotka verkottavat tuhansia prosessorin ytimiä yhdessä ratkaistakseen monimutkaisia yhtälöitä.
Vaikka kaksi supertietokonetta työskenteli yhdessä, laskelmat kestivät noin vuoden, hän sanoi.
Shanahan ja Detmold hajosivat protonin sen eri ulottuvuuksiin (kolme avaruudelle ja yksi ajalle) yksinkertaistaakseen ongelmaa, jonka supertietokoneiden oli ratkaistava.
Yhden numeron sijasta tuloksena oleva painekartta näyttäisi nuolikentältä, joka on eri kokoinen ja osoittaa eri suuntiin.
Joten vastaus kysymykseen "Mikä on protonin paine?" riippuu paljon siitä, mistä protonin osasta kysyt.
Se riippuu myös protonin säteestä. Jos protonit ovat gluonien ja kvarkkien pusseja, nämä pussit kasvavat ja kutistuvat riippuen muista niihin vaikuttavista hiukkasista. Joten Shanahanin ja Detmoldin tulokset eivät kiehu yhtä numeroa.
Mutta nyt meidän karttamme kaikkien näiden sisäpuolella olevien pienten, kiehuvien maailmojen ääripisteistä ovat paljon kirkkaampia.
