Protonens ukendte sider: Det høje indre tryk og den 'svage' ladning
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Protonens ukendte sider: Det høje indre tryk og den 'svage' ladning

Hall C ved Jefferson Lab, hvor målingen af protonens 'svage' ladning blev foretaget. Illustration: Thomas Jefferson National Laboratory
Protoner er opbygget af tre kvarker: To up-kvarker og en down-kvarker forbundet med gluoner. Illustration: wikipedia

Hos Thomas Jefferson National Accelerator Facility i USA, blandt venner blot kendt som Jefferson Lab, interesserer man sig voldsomt for protoner.

I to nye videnskabelige artikler beretter forskere herfra om de trykkræfter, der findes i protonens indre, og en måling af den 'svage' ladning. Det er den ladning, der er knyttet til den svage kernekraft på samme måde, som protonens elektriske ladning er knyttet til den elektromagnetiske kraft.

Den 'svage' ladning er rent faktisk svag, men det er altså værd at huske på, at denne ladning ikke har noget at gøre med den elektriske ladning. Lige så lidt som protonens masse og tyngdekraft har noget at gøre med protonens elektriske ladning og den elektromagnetiske kraft.

Trykket er enormt højt i protonens indre

Med lad os begynde med protonens indre struktur og ikke mindst trykfordelingen.

Vekselvirkningerne mellem protoner giver anledning til et radiært tryk. Den sorte linje er en beregning ud fra de eksperimentelle målinger. Regnet med fortegn er arealet under den sorte kurve i forhold til nullinjen eksakt nul. Det betyder, at protonen er stabil. Det lysegrønne område angiver det nuværende usikkerhedsområde, det blå område er et større usikkerhedsområde baseret på ældre data, og med rødt er vist et estimeret usikkerhedsområde, der på sigt kan opnås med et opgraderet system. Illustration: V. D. Burkert og Nature

Protonen består af kvarker, der bundet tæt til hinanden af den stærke kernekraft.

Det kræver energi at fjerne to kvarker fra hinanden på samme måde, som det kræver energi at trække i et elastikbånd. For at adskille to kvarker helt fra hinanden skal man bruge så meget energi, at denne energi omsættes til nye kvarker, når elastikken så at sige springer. Husk Einsteins relation mellem masse (stof) og energi: E= mc².

De nydannede kvarker binder sig straks til de gamle kvarker af den stærke kernekraft – og så er man lige vidt. Derfor findes der ingen frie kvarker.

Protonens størrelse er ikke veldefineret, idet afgrænsningen mellem dens indre og ydre er flydende. Det er dog muligt i mange sammenhænge at betragte protonen som en kugle med en elektrisk ladning, der findes inden for en radius på 0,875 femtometer. Det kaldes for protonens ladningsradius.

De senere år er der dog flere målinger, der tyder på, at protonen er en anelse mindre end den officielle værdi, men det er uvæsentligt for de nye resultater fra Jefferson Lab.

Læs også: Protonen er mindre end fysikerne har troet

Læs også: Nærmer mysteriet om protonens størrelse sig en afklaring?

I en artikel Nature præsenterer Volker Buckert sammen med to kolleger målinger, der viser, hvordan trykfordelingen i protonens indre er forårsaget af vekselvirkningen mellem kvarker, og som er med til at bestemme protonens størrelse.

Målingerne viser, at der er en frastødende kraft, som peaker omkring 0,25 fm fra centrum, indtil en afstand på 0,6 fm. Herefter vender kraften retning og er medvirkende til at holde protonen sammen.

Det maksimale tryk er helt oppe at ringe på ca. 10^35 pascal. Det er højere end det estimerede tryk i neutronstjerner, som er universets mest kompakte objekter, skriver forskerne.

Volker Burkert og co. skriver afslutningsvis i deres videnskabelige artikel, at de håber, at deres arbejde kan være medvirkende til at motivere nye teoretiske undersøgelser ud fra helt fundamentale principper til forståelse af protonens stabilitet.

Den svage ladning påvirker elektroners spredning

Og lad os så vende tilbage os til protonens ‘svage’ ladning, hvor en ny artikel nu kommer med et estimat baseret på en række målinger, som blev foretaget for flere år tilbage, og hvor der allerede i 2013 blev fremlagt delresultater.

De nye resultater er fremlagt i en artikel i Nature og giver en eksperimentel bestemmelse, som er i excellent overensstemmelse med en teoretisk beregning baseret på Standardmodellen, noterer Jefferson Lab Q-weak-konsortiet. Den ‘svage’ ladning er bestemt til at være 0,0719 ± 0.045 mod en teoretisk beregning på 0,0708 ± 0,0003.

Den 'svage' ladning er med til at bryde en form spejlsymmetri. Elektroner kan enten være højrehåndede eller venstrehåndede ud fra den måde, deres spin er forbundet med elektronens bevægelsesretning. Umiddelbart ville man sikkert ikke forvente, at det har nogen betydning for, hvordan en elektron spredes ved et sammenstød med en proton, men det har det. Forklaringen er protonens 'svage' ladning. Ved at måle elektronspredning på protoner kan man derved bestemme protonens 'svage' ladning. Målingerne skal dog være præcise og nøjagtige, da forskellen er meget lille for spredning af højrehåndede og venstrehåndede elektroner. Illustration: Nature

Det er sikkert de færreste, der har tænkt på, at protonen (og for den sags skyld elektronen) har en ‘svag’ ladning ud over en elektrisk ladning. Det er da heller ikke noget, som normalt har den store betydning. Den svage kernekraft og dermed den ‘svage’ ladning er, som navnet siger, svag.

Den har dog betydning for spredning af elektroner på protoner, hvor der er en form for asymmetri, alt efter om elektronerne er højrehåndede eller venstrehåndede (se figuren for en forklaring).

Forskellen er dog ikke stor. Den er eksperimentelt bestemt til at være -226,5 ± 9,3 i forhold til en milliard (ppb).

Det er først og fremmest den meget lille usikkerhed, der gør eksperimentet til noget ekstraordinært.

Minustegnet indikerer, at venstrehåndede elektroner har en højere tendens til at blive spredt end deres højrehåndede partnere.

Og hvorfor er det så interessant?

Hvorfor er det så overhovedet interessant at bestemme eller bekymre sig om den ‘svage’ ladning, vil mange sikkert tænke.

Det er, fordi det kan være med til at afgøre, på hvilke længde- eller energiskalaer de nuværende fysiske teorier vil bryde ned, og hvor de eventuelt skal suppleres med en femte fundamental kraft, nye partikler eller ukendte vekselvirkninger.

Xiachao Zheng fra University of Virginia skriver i en kommentar i Nature, at Q-weak eksperimentet viser, at noget sådant – hvis det i det hele taget findes – først kan indtræffe ved energier på flere teraelektronvolt. Til sammenligning er kernespaltning (fission) forbundet med et energiniveau i størrelsesordenen megaelektronvolt pr. partikel.

Det interessante ved Q-weak-eksperimentet ved Jefferson Lab er, at det derved kan supplere de endnu mere komplicerede eksperimenter ved Large Hadron Collider ved Cern, når det gælder om at finde 'ny fysik'.

Har ikke abonnement på Nature - desværre.

Jeg forstår ikke konceptet "tryk" inde i en proton. Det giver i min verden lige så lidt mening som at tale om temperatur af et enkelt molekyle (der jo ikke kan have en Boltzmann fordeling med sig selv)
Nogle der kan hjælpe mig videre her?

  • 2
  • 0

'The hole is the vacuous force which act's as an expansion pressure force exerted against an equal compression pressure force which is located in the mass and culmination at its centres.' -

Walter Russell, kommenterer, forklarer og retter, datidens 'videnskabelige elite'.
('a hole that act as an proton')

  • 0
  • 0