Dacă te-ai urcat la bordul Magic School Bus și ai început să se micșoreze - mai mic decât furnica sau amoeba sau o singură celulă, și ai continuat să se micșoreze până când atomii singuri erau la fel de mari ca lumile întregi și chiar și particulele lor constitutive se ridicau peste tine - ai vrea intră într-o lume care bubuie cu presiuni enorme, conflictuale.
În centrul unui proton, o presiune mai mare decât cea găsită în interiorul unei stele cu neutroni te-ar arunca spre marginea particulei. Dar la limitele exterioare ale protonului, o forță egală și opusă te-ar împinge spre centrul protonului. De-a lungul drumului, veți fi supărați prin forțe de forfecare care se deplasează lateral, care depășesc cu mult orice lucru pe care orice persoană îl va experimenta vreodată în viața lor.
O nouă lucrare, publicată pe 22 februarie în revista Physical Review Letters, oferă cea mai completă descriere a presiunilor concurente din interiorul unui proton, nu doar în ceea ce privește quark-urile sale - particulele care dau masa unui proton - dar și gluonii săi, particulele fără masă care leagă acele quarkuri.
Această stare cuantică de fierbere și fierbere
Descrierea simplă a protonilor implică doar trei quarkuri menținute împreună de o grămadă de gluoni. Dar aceste descrieri sunt incomplete, a declarat co-autorul studiului Phiala Shanahan, fizician la Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Protonul este format dintr-o grămadă de gluoni și apoi de fapt o grămadă de quarkuri", a spus Shanahan pentru Live Science. "Nu doar trei. Există trei quark-uri principale, și apoi orice număr de perechi quark-antiquark care apar și dispar ... și este vorba de toate interacțiunile complicate ale acestei stări cuantice de fierbere, care fierbe, care generează presiunea."
Shanahan și coautorul William Detmold, care este și fizician la MIT, a descoperit că gluonii produc aproximativ două ori mai multă presiune decât quark-urile din interiorul unui proton și că această presiune este distribuită pe o zonă mai largă decât se știa anterior. Ei au descoperit că presiunea totală a unui proton crește la 100 de decilioni (sau 1 cu 35 de zerouri după el) pascali - sau aproximativ 260 de sextilioni (sau 26 cu 22 de zerouri după acesta) ori de presiune în centrul Pământului.
În mod critic, acea presiune punctează în două direcții diferite.
"Există o regiune de presiune pozitivă, deci trebuie să existe și o regiune de presiune negativă", a spus ea. "Dacă ar exista doar o regiune de presiune pozitivă, protonul ar continua să se extindă și nu ar fi stabil."
Un calcul foarte mare
Dar la fel de mari ca presiunile respective, nu există nicio cale pentru oamenii de știință de a le măsura direct în majoritatea circumstanțelor. Pentru a examina interioarele protonilor, oamenii de știință îi bombardează cu electroni mai mici, cu energii foarte mari. În acest proces, schimbă protonii. Niciun experiment cunoscut nu poate dezvălui cum este în interiorul unui proton la energiile reduse pe care le experimentează de obicei.
Așadar, oamenii de știință se bazează pe teoria cromodinamicii cuantice (QCD) - care descrie quark-urile și gluonii puternici care le poartă forța. Oamenii de știință știu că funcționează QCD, deoarece experimentele cu energie mare își îndeplinesc predicțiile, a spus Detmold. Dar la energii reduse, trebuie să aibă încredere în matematică și calcule.
"Din pacate este foarte greu de studiat analitic, notand ecuatiile cu pixul si hartia", a spus Shanahan.
În schimb, cercetătorii apelează la supercomputere care rețelează mii de nuclee de procesor împreună pentru a rezolva ecuațiile complicate.
Chiar dacă doi supercomputeri lucrează împreună, calculele au durat aproximativ un an, a spus ea.
Shanahan și Detmold au împărțit protonul în dimensiunile sale diferite (trei pentru spațiu și unul pentru timp) pentru a simplifica problema pe care supercomputerii trebuiau să o rezolve.
În loc de un singur număr, harta de presiune rezultată ar arăta ca un câmp de săgeți, toate dimensiunile diferite și orientate în direcții diferite.
Deci, răspunsul la întrebarea, "Care este presiunea în interiorul unui proton?" depinde foarte mult de ce parte a protonului întrebi.
Depinde și de raza protonului. Dacă protonii sunt pungi de gluoni și quark, aceste pungi cresc și se micșorează în funcție de celelalte particule care acționează asupra lor. Deci rezultatele lui Shanahan și Detmold nu se reduc la un singur număr.
Însă acum hărțile noastre despre extremele tuturor acestor lumi minuscule și fierbinți din noi sunt mult mai vii.
