Die Protonenexpansion ist ein Rätsel für Teilchenphysiker

Teilchen in einem Proton bewegen sich, wenn sie elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt werden, wodurch es sich verformt, aber dieses Verhalten ist nicht gut verstanden.

von Alex Wilkin

Protonen sind nach neuen Messungen dehnbarer als wir dachten. Die Physiker sind sich jedoch uneins darüber, ob diese Anomalie bei zukünftigen Messungen bestehen bleibt oder ob sich unser grundlegendes Verständnis der Struktur des Protons ändern muss.

Protonen enthalten drei kleinere Teilchen namens Quarks, die von anderen Teilchen namens Gluonen zusammengehalten werden, sowie sehr kurzlebige „virtuelle“ Teilchen. Wenn ein Proton elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wird, bewegen sich diese inneren Komponenten entsprechend ihrer Ladung, wodurch sich das Proton verformt oder dehnt.

Wie weit sich ein Proton auf diese Weise ausdehnen kann, wird durch seine elektrische und magnetische Polarität bestimmt. Diese beiden mehrfach gemessenen Größen geben Aufschluss über die innere Struktur des Protons. Eine der ersten Messungen dieser Art im Jahr 2000 ergab, dass kleinere Teile eines Protons bei der Untersuchung kleinerer Teile als Reaktion auf magnetische und elektrische Felder kurzzeitig dehnbar werden, bevor es steifer oder schwieriger zu verformen ist.

Diese Ergebnisse waren jedoch ungenau, und neuere Experimente waren unterschiedlich und stellten fest, dass das Proton steifer wird, wenn Sie auf kleinere Teile zoomen, was auch das Standardmodell des Protons vorhersagt.

Jetzt haben Nikolaos Sparveris und Kollegen von der Temple University in Pennsylvania die Fähigkeit des Protons gemessen, sich auf ein höheres Maß an Präzision zu dehnen, und auch festgestellt, dass es bei bestimmten Längenskalen sowohl für elektrische als auch für magnetische Felder dehnbarer wird, wie im Ergebnis von 2000 .

„Wir sehen es in einer höheren Auflösung“, sagt Sparveris, dank der Sammlung von mehr Daten. Der Ball liegt nun also auf einer Seite [standard model] Theorie.”

Um die Reichweite des Protons zu messen, feuerten Spaverris und sein Team einen Strahl niederenergetischer Elektronen auf ein Target aus flüssigem Wasserstoff. Wenn sich in ihrer Struktur ein Elektron durch ein Proton im Wasserstoff bewegt, erzeugt es ein Photon, ein effektives elektromagnetisches Feld, das das Proton verformt. Indem es misst, wie weit Elektronen und Protonen voneinander entfernt sind, kann das Team berechnen, wie stark jedes Proton von jedem Photon verzerrt wird.

Während das anomale Ergebnis der Arbeit aus dem Jahr 2000 ähnlich zu sein scheint, wurde die Effektgröße mehr als halbiert, sagt Judith McGovern von der University of Manchester, UK. Es sei generell sehr schwierig, die Polarisation eines Protons bei niedrigen Energien hochpräzise zu messen, sagt sie, und es gebe aus aktuellen Theorien keine eindeutige Erklärung dafür, warum sie so hoch sei wie im Sparferis-Ergebnis. „Ich glaube nicht, dass die meisten Leute es genommen haben [the 2000 result] Im Ernst, ich denke, sie haben einfach angenommen, dass es verschwinden würde, und wenn ich ganz ehrlich bin, glaube ich, dass die meisten Leute immer noch davon ausgegangen sind, dass es verschwinden würde.”

McGovern sagt, dass verschiedene zukünftige Experimente, wie die Verwendung eines Strahls von Positronen – dem Antimaterie-Gegenstück zum Elektron – Aufschluss darüber geben könnten, ob diese Anomalie wirklich existiert. Sparveris und sein Team planen, weitere Experimente durchzuführen. „Wir müssen jede Möglichkeit ausschließen, dass dies auf einen experimentellen Parameter oder Artefakt zurückzuführen ist, also planen wir, zurückzugehen und weitere Messungen durchzuführen“, sagt er.

Wenn die Anomalie jedoch bestehen bleibt, muss unser Verständnis der Struktur des Protons revidiert werden. „Weitere Messungen werden zeigen, ob dies einen empirischen Ursprung hat oder nicht, aber es scheint eine echte Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment zu geben“, sagt Juan Rogo von der Vrije Universiteit Amsterdam in den Niederlanden. Die Frage ist, was sagt uns diese Diskrepanz? Und was können wir insbesondere über die Struktur eines Protons lernen, wenn wir diese Dinge verstehen? “

Melden Sie sich für Lost in Space-Time an, einen kostenlosen monatlichen Newsletter über die Verrücktheit der Realität