Нейтронні зірки є одними з найщільніших відомих об'єктів у всесвіті, вони витримують такий сильний тиск, що одна чайна ложка матеріалу зірки буде приблизно в 15 разів більше ваги Місяця. Тим не менш, як виявилося, протони - фундаментальні частинки, які становлять більшу частину видимої речовини у всесвіті - містять навіть більш високі тиску.
Вперше фізики з Массачусетського технологічного інституту вирахували розподіл тиску в протоні і виявили, що частинка містить ядро - з високим тиском, який у своїй найбільш інтенсивній точці створює більший тиск, ніж всередині нейтронної зірки.
Це ядро виштовхується з центру протона, в той час як навколишня область заштовхує його всередину. (Уявіть собі, що бейсбольний м'яч намагається розкритися всередині футбольного м'яча.) Конкуруючий тиск стабілізує загальну структуру протона.
Результати фізиків, опубліковані в Physical Review Letters, являють собою перший випадок, коли вчені вирахували розподіл тиску протона, беручи до уваги внесок як кварків, так і глюонів, фундаментальних, суб'ядерних складових протона.
«Тиск - це фундаментальний аспект протона, про який ми дуже мало знаємо в даний час», - говорить провідний автор роботи Phiala Shanahan, доцент кафедри фізики в MIT. "Тепер ми виявили, що кварки і глюони в центрі протону створюють значний зовнішній тиск, а далі до країв виникає обмежувальний тиск. З цим результатом ми рухаємося до повної картини структури протона ".
У травні 2018 року фізики з Національного прискорювального центру Томаса Джефферсона оголосили, що вони вперше виміряли розподіл тиску протона, використовуючи пучок електронів, який вони випустили за метою, зробленою з водню. Електрони взаємодіяли з кварками всередині протонів у мішені. Потім фізики визначили розподіл тиску по протону, ґрунтуючись на тому, як електрони розсіюються від мішені. Їх результати показали центр високого тиску в протоні, який в точці його найвищого тиску становив близько 1035 паскалів, або в 10 разів більше тиску всередині нейтронної зірки. Тим не менш, Шанахан каже, що їхня картина тиску протона була неповною.
«Вони знайшли досить чудовий результат», - каже Шанахан. «Але цей результат був предметом низки важливих припущень, які були необхідні через наше неповне розуміння».
Зокрема, дослідники засновували свої оцінки тиску на взаємодіях кварків протона, але не його глюонів. Протони складаються як з кварків, так і з глюонів, які безперервно і динамічно взаємодіють всередині протона. Команда Лабораторії Джефферсона була в змозі визначити внесок кварків тільки за допомогою свого детектора, який, за словами Шанахана, не враховує більшу частину внеску протона в тиск.
«За останні 60 років ми досить добре розуміли роль кварків у структурі протона», - говорить вона. «Але глюонну структуру набагато складніше зрозуміти, оскільки її важко виміряти або розрахувати».
«У протоні існує бульбашковий квантовий вакуум пар кварків і антикварків, а також глюонів, що з'являються і зникають», - говорить Шанахан. «Наші розрахунки включають в себе всі ці динамічні коливання».
Щоб зробити це, команда використовувала метод у фізиці, відомий як ґратна КХД, для квантової хромодинаміки, який являє собою систему рівнянь, що описують сильну взаємодію, одну з трьох фундаментальних сил Стандартної моделі фізики елементарних частинок. (Два інших - це слабка взаємодія і електромагнітна сила.) Сильна ядерна взаємодія - це те, що пов'язує кварки і глюони, щоб в кінцевому підсумку створити протон.
Рішення КХД з ґратами використовують чотиримірну сітку або решітку точок для представлення трьох вимірювань простору і одного часу. Дослідники розрахували тиск всередині протона, використовуючи рівняння квантової хромодинаміки, визначені на ґратах.
«Це вимагає величезних обчислювальних ресурсів, тому ми використовуємо найпотужніші суперкомп'ютери у світі для виконання цих обчислень», - пояснює Шанахан.
Команда вчених провела близько 18 місяців, пропускаючи різні конфігурації кварків і глюонів через кілька різних суперкомп'ютерів, а потім визначила середній тиск у кожній точці від центру протона до його краю.