Jaký je tlak uvnitř protonu? Kredit: DOE's Jefferson Lab.

Představte si proton. Úplně běžnou subatomární částici, která se ukrývá uvnitř atomového jádra. O takových částicích leccos víme. Zatím jsme ale neznali žádné jejich mechanická vlastnosti. Jaderní fyzici výzkumného zařízení amerického ministerstva energetiky Thomas Jefferson National Accelerator Facility teď přišli s převratným výzkumem a jako první změřili mechanickou vlastnost subatomární částice. Podařilo se jim zjistit, jaký panuje tlak uvnitř protonu. A nebyl právě malý. Výsledky jejich výzkumu pohotově publikoval časopis Nature.

Francois-Xavier Girod. Kredit: Jefferson Lab.

Francois-Xavier Girod a jeho kolegové naměřili, že kvarky, čili stavební kameny protonů a neutronů, jsou vystavené neuvěřitelně vysokému tlaku 10 na 35 pascalů. To je nejen ohromně vysoké číslo, ale zároveň jde o hodnotu asi desetkrát vyšší, než je podle našich znalostí tlak v nitru neutronové hvězdy. A to je co říct. Každý proton má uvnitř pořádně natlakovaný papiňák.

Vědci zjistili, že v centrální oblasti protonu panuje extrémně vysoký tlak, který směruje směrem ven z protonu. V oblasti periferie protonu zase naměřili mnohem nižší tlak, který směřuje dovnitř. Girod a spol. podotýkají, že za rozložení tlaku uvnitř protonu je zodpovědná především silná síla, tedy jedna ze čtveřice základních fyzikálních sil, která uvnitř každého protonu drží pohromadě tři kvarky.

Dlouho se mělo za to, že něco podobného není možné. Girodův tým ale využil dva teoretické koncepty, které je nakonec přivedly ke kýženému výsledku. Díky jednomu z nich (koncept GPD, generalized parton distributions) se jim povedlo s pomocí elektromagnetické síly vytvořit 3D snímek struktury protonu. Druhý z konceptů (gravitational form factors) jim umožnil využít gravitačních modelů částic k popisu mechanické struktury protonu.

Laboratoře Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Kredit: Jefferson Lab.

Původně si odborníci mysleli, že o mechanické struktuře částic nikdy nezjistíme nic pořádného. Jejich gravitační síla je totiž pochopitelně extrémně nepatrná. Jenomže pak teoretičtí fyzici dokázali propojit elektromagnetické síly s gravitačními modely a dospěli k tomu, že namísto zkoumání gravitačních poměrů uvnitř částice můžeme docela dobře použít elektromagnetické sondy.

Přesně to udělal Girodův tým. Použili elektromagnetické sondy, které tvořily svazky elektronů vyráběných zařízením Continuous Electron Beam Accelerator Facility. Tyto elektrony směřovaly přímo do atomových jader, kde prostřednictvím elektromagnetické síly interagovaly s kvarky uvnitř protonů specifickým Comptonovým rozptylem (deeply virtual Compton scattering). Comptonův rozptyl spočívá v tom, že se při interakci elektromagnetického záření s atomy pevné látky mění vlnová délka záření v důsledku předání části energie tohoto záření částicím.

V tomto Comptonově rozptylu dochází k tomu, že do protonu vstoupí elektron a vymění si s kvarkem virtuální foton. Přitom dojde k přenosu části energie na kvark a tím pádem i na celý proton. Za okamžik dojde o tomu, že proton zase tuto energii uvolní v podobě vyzáření fotonu. Tento proces fyzici důmyslně využili ke zmapování tlaku uvnitř protonu. Příště hodlají být ještě lepší a ještě přesnější. Jejich výzkum otevírá zbrusu nový směr, kterým se nyní může ubírat jaderná a částicová fyzika.

Video:  Jefferson Lab Live Virtual Field Trip


Literatura
DOE/Thomas Jefferson National Accelerator Facility 16. 5. 2018, Nature 557: 396–399.