Dua puluh tahun lalu, fisikawan mulai menyelidiki asimetri misterius struktur internal proton. Hasil penelitian mereka yang dipublikasikan pada akhir Februari 2021 menjelaskan bagaimana antimateri membantu menstabilkan inti atom masing-masing.
Sangat jarang disebutkan bahwa proton - partikel bermuatan positif di pusat atom - sebagian merupakan antimateri.
Di sekolah, kita diberitahu bahwa proton adalah sekelompok tiga partikel dasar yang disebut quark - dua u-quark (atas) dan satu d-quark (down), yang muatan listriknya masing-masing +2/3 dan -1/3, menambahkan proton memiliki muatan +1. Namun di balik gambar dasar ini terdapat cerita yang jauh lebih asing dan masih belum terpecahkan.
Dari kejauhan, tampaknya proton terdiri dari tiga partikel yang disebut quark. Tetapi jika Anda melihat lebih dekat, Anda dapat melihat banyak partikel muncul dan menghilang
Faktanya, pusaran dari enam jenis quark yang bermuatan berlawanan, rekan mereka yang bermuatan berlawanan dari antimateri (antiquark) dan gluon, partikel elementer tanpa massa yang mengikat partikel lain bersama-sama, diubah di dalam proton, di dalamnya dan berkembang biak dengan cepat. Entah bagaimana, pusaran yang menggelegak ini ternyata benar-benar stabil dan tampak sederhana, meniru trio quark dalam aspek tertentu. “Cara kerjanya, sejujurnya, terlihat seperti keajaiban,” kata Donald Gisaman , fisikawan nuklir di Argonne National Laboratory di Illinois.
Tiga puluh tahun yang lalu, para peneliti menemukan sifat mencolok dari "laut proton" ini. Para ahli teori berharap bahwa berbagai jenis antimateri akan terdistribusi secara merata di dalamnya, tetapi tampaknya jumlah anitquark yang lebih rendah secara signifikan melebihi jumlah antimateri atas. Kemudian, sepuluh tahun kemudian, sekelompok peneliti lain memperhatikan petunjuk variasi yang tidak dapat dijelaskan dalam rasio barang antik atas dan bawah. Tetapi hasil ini di ambang sensitivitas eksperimen.
Jadi 20 tahun yang lalu, Donald Gisaman dan rekannya Paul Rymer mulai mengerjakan eksperimen baru untuk lebih memahami masalah ini. Eksperimen, yang diberi nama SeaQuest, akhirnya selesai dan para peneliti mempublikasikannya hasilnya di jurnal Nature. Mereka mengukur antimateri intrinsik proton dengan lebih teliti daripada sebelumnya dan menemukan bahwa untuk setiap barang antik bagian atas, rata-rata, ada 1,4 barang antik bagian bawah.
Samuel Velasco / Majalah Quanta
Data ini secara langsung mendukung dua model teoritis laut proton. “Ini adalah bukti nyata pertama yang mendukung model-model ini,” kata Reimer.
Pertama, model awan pion, adalah pendekatan populer yang telah ada selama beberapa dekade yang menekankan kecenderungan proton untuk memancarkan dan menyerap kembali partikel yang disebut pion, yang termasuk dalam kelompok partikel yang dikenal sebagai meson. Yang kedua, yang disebut model statistik , menganggap proton sebagai wadah berisi gas.
Eksperimen yang direncanakan lebih lanjut akan membantu peneliti memilih salah satu dari dua model ini. Tapi mana pun yang benar, kumpulan data antimateri proton SeaQuest akan segera bermanfaat, terutama bagi fisikawan yang membenturkan proton pada kecepatan mendekati cahaya di Large Hadron Collider. Dengan informasi yang akurat tentang komposisi benda yang bertabrakan, mereka akan dapat dengan lebih efisien membongkar produk yang tertinggal setelah tabrakan untuk mencari bukti keberadaan partikel atau efek baru. Juan Rojo dari Free University of Amsterdam, yang membantu dalam analisis data LHC, percaya bahwa hasil eksperimen SeaQuest dapat berdampak besar pada pencarian fisika baru, yang saat ini "dibatasi oleh pengetahuan kita tentang struktur proton, khususnya tentang antimateri nya. "
Yang ketiga tidak berlebihan
Untuk waktu yang singkat, sekitar setengah abad yang lalu, fisikawan percaya bahwa mereka telah berurusan dengan proton.
Pada tahun 1964, Murray Gell-Mann dan George Zweig secara independen mengajukan sebuah model yang kemudian menjadi quark : idenya adalah bahwa proton, neutron, dan partikel langka terkaitnya adalah berkas tiga quark (sebagaimana mereka disebut.Gell-Mann), dan pion serta meson lainnya terdiri dari satu quark dan satu antiquark. Skema ini menjelaskan hiruk pikuk partikel yang terbang dari akselerator partikel berenergi tinggi, karena spektrum muatannya dapat dibangun dari kombinasi dua dan tiga bagian. Kemudian, sekitar tahun 1970, para peneliti di Stanford Linear Accelerator (SLAC) tampaknya mengkonfirmasi model quark: dengan menembakkan elektron berkecepatan tinggi ke proton, mereka melihat elektron memantul dari objek di dalamnya.
Tapi gambarannya segera menjadi kurang jelas. “Saat kami berusaha lebih keras untuk mengukur properti ketiga quark ini, kami menemukan sesuatu yang lain sedang terjadi,” kata Chuck Brown, anggota tim SeaQuest berusia 80 tahun di National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab), yang telah mengerjakan eksperimen quark sejak tahun 1970-an.
Studi tentang momentum tiga quark menunjukkan bahwa massa mereka merupakan sebagian kecil dari massa total proton. Selain itu, ketika para peneliti di SLAC menembakkan elektron dengan kecepatan lebih tinggi pada proton, mereka melihat bahwa elektron menolak lebih banyak partikel di dalamnya. Semakin cepat elektron, semakin pendek panjang gelombangnya, yang membuatnya peka terhadap elemen halus proton; itu seperti meningkatkan resolusi mikroskop. Semakin banyak partikel internal ditemukan, yang tampaknya tidak ada habisnya. “Kami tidak tahu di mana batasnya dan resolusi tertinggi apa yang bisa diperoleh,” kata Gisaman.
Hasilnya mulai lebih masuk akal ketika fisikawan mengembangkan teori yang benar bahwa model quark semakin mendekati: kromodinamika kuantum, atau QCD. QCD, diformulasikan pada tahun 1973, menjelaskan "gaya kuat", gaya terbesar di alam yang dengannya partikel yang disebut gluon mengikat berkas quark.
QCD memprediksi pusaran yang sama yang terungkap dalam eksperimen hamburan. Kesulitan muncul karena fakta bahwa gluon merasakan kekuatan yang mereka bawa. Inilah perbedaannya dari foton, yang membawa gaya elektromagnetik yang lebih sederhana. "Kesewenang-wenangan" ini menciptakan kekacauan di dalam proton, memberi gluon kebebasan penuh untuk bertindak untuk kemunculan, penggandaan, dan pemisahan menjadi pasangan jangka pendek quark dan antiquark. Dengan menyeimbangkan satu sama lain, quark dan antikquark yang bermuatan berlawanan dan berjarak dekat ini luput dari perhatian dari jauh. Hanya tiga quark "valensi" yang tidak seimbang - dua di atas dan di bawah - yang menyusun muatan total proton. Tetapi fisikawan menyadari bahwa dengan menembakkan elektron pada kecepatan yang lebih tinggi, mereka mencapai target yang lebih kecil.
Namun, keanehan tidak berakhir di situ.
Karena kesewenang-wenangan gluon, persamaan QCD tidak dapat diselesaikan; oleh karena itu, fisikawan telah gagal dan masih tidak dapat menghitung prediksi teori yang akurat. Tetapi mereka tidak memiliki alasan untuk berasumsi bahwa gluon akan terpecah menjadi satu jenis pasangan quark-antiquark (yaitu, yang lebih rendah) lebih sering daripada yang lain. "Kami mengharapkan jumlah yang sama dari kedua pasangan untuk muncul," kata Mary Ahlberg , ahli teori nuklir di Universitas Seattle, menjelaskan alasannya pada saat itu.
Mary Ahlberg, fisikawan nuklir di Universitas Seattle, dan rekan penulisnya telah lama berpendapat bahwa pion memainkan peran penting dalam pembentukan esensi proton.
Foto milik Universitas Seattle
Inilah mengapa para peneliti di New Muon Collaboration di Jenewa begitu terkejut dengan hasil eksperimen hamburan muon. Pada tahun 1991. Mereka bertabrakan muon (kerabat elektron yang lebih berat) dengan proton dan deuteron, yang terdiri dari satu proton dan satu neutron, membandingkan hasilnya dan menyimpulkan bahwa ada lebih banyak antiquark yang lebih rendah di laut proton daripada antiquark atas.
Bagian dari proton
Segera, ahli teori mengajukan beberapa kemungkinan penjelasan untuk asimetri proton.
Salah satunya dikaitkan dengan peony. Sejak 1940-an, fisikawan telah menyaksikan proton dan neutron bertukar pion di dalam inti atom, seperti pemain dalam tim yang saling melempar bola basket untuk menyatukannya. Merefleksikan struktur proton, para peneliti sampai pada kesimpulan bahwa ia juga dapat melempar bola basket ke dirinya sendiri, yaitu, ia dapat memancarkan pion bermuatan positif sebentar, berubah menjadi neutron untuk saat ini, dan kemudian menyerapnya kembali. "Jika selama percobaan Anda berpikir bahwa Anda sedang melihat proton, Anda tidak demikian, karena untuk beberapa waktu proton ini akan berubah menjadi pasangan neutron-pion," kata Ahlberg.
Lebih tepatnya, proton berubah menjadi neutron dan pion, terdiri dari satu kuark atas dan satu antikuark bawah. Karena ghostly peony ini memiliki antiquark yang lebih rendah (peony dengan antiquark atas tidak dapat terwujud dengan mudah), ahli teori seperti Ahlberg, Gerald Miller, dan Tony Thomas berpendapat bahwa model cloud pion menjelaskan jumlah yang lebih besar dari proton antiquark yang lebih rendah yang terdeteksi oleh pengukuran. .
Samuel Velasco / Majalah Quanta
Argumen lain juga muncul. Claude Burrely dan rekan-rekannya dari Prancis mengembangkan model statistik yang menganggap partikel internal proton sebagai molekul gas di dalam ruangan, bergerak secara kacau pada kecepatan yang berbeda, yang bergantung pada apakah partikel tersebut memiliki momentum sudut bilangan bulat atau setengah bilangan bulat. Saat disetel dengan data dari berbagai eksperimen hamburan, model tersebut mengasumsikan dominasi barang antik.
Prediksi kedua model tersebut tidak identik. Sebagian besar massa total proton terdiri dari energi partikel individu yang masuk dan keluar dari laut proton, dan partikel ini membawa energi yang berbeda. Model telah memprediksi secara berbeda bagaimana rasio barang antik tinggi ke rendah harus berubah saat mereka menghitung barang antik yang membawa lebih banyak energi. Fisikawan mengukur besaran terkait yang disebut pecahan momentum antikuark.
Ketika peneliti di Fermilab pada tahun 1999 di bawah eksperimen NuSea diukurrasio barang antik atas dan bawah sebagai fungsi momentum barang antik, hasil dari pekerjaan mereka hanya menginspirasi semua orang, kenang Ahlberg. Data ini menunjukkan bahwa di antara barang antik dengan momentum besar (begitu besar sehingga berada di tepi jangkauan deteksi instrumen), tiba-tiba terdapat lebih banyak barang antik atas daripada yang lebih rendah. "Setiap ahli teori berkata, 'Tunggu sebentar,' kata Ahlberg." Mengapa kurva itu terbuka ketika benda-benda antik ini mendapat banyak momentum? "
Sementara para ahli teori memeras otak mereka atas pertanyaan ini, Gisaman dan Reimer, yang sedang mengerjakan eksperimen NuSea dan tahu bahwa data di tepi jurang terkadang tidak boleh dipercaya, memutuskan untuk membangun sebuah eksperimen di mana dimungkinkan untuk menyelidiki rentang yang lebih luas. pulsa antiquark dalam kondisi nyaman. Mereka menamakannya SeaQuest.
Dari apa
Dengan banyak pertanyaan tentang proton, tetapi tidak punya uang, mereka mulai merakit eksperimen dari bagian-bagian bekas. “Moto kami adalah: kurangi sampah, gunakan kembali, daur ulang,” kata Reimer.
Mereka membeli beberapa sintilator tua dari laboratorium Hamburg, detektor partikel yang tersisa di Laboratorium Nasional Los Alamos, dan pelat besi penghambat radiasi yang awalnya digunakan di siklotron Universitas Columbia pada 1950-an. Mereka dapat menggunakan magnet berukuran ruangan yang digunakan dalam eksperimen NuSea dan melakukan eksperimen baru mereka pada akselerator proton di Fermilab. Namun, "Frankenstein" yang dihasilkan dari detail ini bukannya tanpa daya tariknya. Menurut Brown, yang membantu menemukan semua bagian, indikator suara yang menandakan bahwa proton memasuki perangkat dibuat 50 tahun lalu: "Saat berbunyi bip, jiwa menjadi hangat."
Fisikawan nuklir Paul Rymer (atas) dengan perangkat eksperimen SeaQuest
Eksperimen di Fermilab yang kebanyakan dibuat dari suku cadang bekas
, akhirnya mereka luncurkan. Dalam percobaan tersebut, proton mencapai dua sasaran: gelembung hidrogen, yang pada dasarnya adalah proton, dan gelembung deuterium, yang nukleusnya terdiri dari satu proton dan satu neutron.
Ketika mengenai salah satu dari dua target, salah satu kuark valensi proton terkadang musnah dengan salah satu antikuark proton atau neutron target. “Pemusnahan memiliki ciri khas dan menghasilkan muon dan anti-muon,” kata Rymer. Partikel-partikel ini, bersama dengan "puing-puing" lainnya dari tabrakan, kemudian menabrak pelat besi tua. "Muon bisa melewatinya, dan semua partikel lainnya diblokir," katanya. Dengan mendeteksi muon di bagian belakang lempeng dan memulihkan lintasan dan kecepatan aslinya, "Anda dapat merekonstruksi kronologi peristiwa untuk mengetahui fraksi apa dari momentum yang dibawa oleh barang antik."
Karena proton dan neutron saling mencerminkan, di mana yang satu memiliki partikel dari tipe atas, yang lain memiliki partikel dari tipe yang lebih rendah, dan sebaliknya. Dengan membandingkan data dari dua gelembung, kita dapat segera melihat rasio antikuark atas dengan antikuark bawah di proton, tapi ini, tentu saja, didahului oleh 20 tahun kerja.
Pada 2019, Ahlberg dan Miller menghitung hasil eksperimen SeaQuest berdasarkan model cloud pion . Prediksi mereka sejalan dengan data SeaQuest yang baru.
Data baru yang menunjukkan kenaikan bertahap dan kemudian dataran tinggi dalam rasio antara barang antik bagian bawah dan atas, bukan pembalikan tiba-tiba, juga bertepatan dengan hasil model statistik yang lebih fleksibel.dikembangkan oleh Burrely dan rekannya. Namun Miller menyebut model yang bersaing ini "deskriptif, bukan prediktif," karena ia disetel agar sesuai dengan data daripada mendapatkan mekanisme fisik yang menjelaskan dominasi barang antik. “Dan dalam perhitungan kami, saya bangga dengan fakta bahwa mereka mewakili perkiraan yang sebenarnya,” kata Ahlberg. “Kami tidak mengubah parameter apa pun sebelumnya.”
Dalam sebuah email, Burrely berpendapat bahwa "model statistik lebih kuat daripada model Alberg dan Miller" karena memperhitungkan eksperimen hamburan dengan partikel terpolarisasi dan non-terpolarisasi. Miller sangat tidak setuju, mencatat bahwa model awan pion menjelaskan tidak hanya komposisi antimateri proton, tetapi juga momen magnetik berbagai partikel, distribusi muatan dan waktu peluruhan, serta "pengikatan dan keberadaan semua inti atom. . " Dia menambahkan bahwa mekanisme pion “penting dalam arti luas untuk pertanyaan seperti“ Mengapa ada inti? Mengapa kita ada? "
Dalam pencarian terakhir untuk memahami proton, spin atau momentum sudut intrinsik mungkin menjadi faktor penentu. Percobaan hamburan muon pada akhir 1980-an menunjukkanbahwa spin dari tiga kuark valensi proton tidak lebih dari 30% dari total spin proton. "Krisis spin proton" dapat diungkapkan dengan pertanyaan berikut: "Berapa sisa 70%?" Dan sebagai penjelajah veteran Chuck Brown, seorang veteran Fermilab, berkata lagi, "Pasti ada sesuatu yang lain."
Para peneliti akan menyelidiki putaran laut proton di Fermilab dan kemudian pada penumbuk ion-elektron yang diproyeksikan di Brookhaven National Laboratory. Ahlberg dan Miller sedang mengerjakan perhitungan "awan meson" lengkap yang mengelilingi proton, yang, selain pion, termasuk "meson rho" yang lebih langka. Tidak seperti pion, meson ro memiliki spin, sehingga mereka entah bagaimana harus mempengaruhi putaran total proton, yang diharapkan Ahlberg dan Miller dapat ditentukan.
Percobaan SpinQuest Fermilab , yang melibatkan banyak peneliti SeaQuest dan menggunakan rincian percobaan itu, hampir siap untuk dilakukan , kata Brown . “Jika beruntung, kami akan mendapatkan datanya musim semi ini; ini akan tergantung, setidaknya sebagian, pada kemajuan dalam mengembangkan vaksin melawan virus. Lucu bahwa solusi untuk masalah struktur internal inti yang begitu dalam dan tidak dapat dipahami bergantung pada situasi virus COVID di negara tersebut. Segala sesuatu di dunia ini saling berhubungan, bukan? "