.jpg)
حالة الضغط: تم قياس الضغط الداخلي للبروتون لأول مرة.
قام علماء الفيزياء برسم خريطة لتوزيع الضغط داخل البروتون باستخدام مسرع الإلكترونات في مختبر جيفرسون بولاية فرجينيا الأمريكية. ومن خلال تطبيق منظور جديد على تشتت كومبتون، أظهر الفريق أن الضغط التنافري الهائل الذي تتعرض له الكواركات في مركز البروتون يتوازن مع قوى تجاذب قوية حول الحواف. يُلقي هذا البحث مزيدًا من الضوء على كيفية انحصار الكواركات داخل البروتونات والهادرونات الأخرى، وهو أحد أهم ألغاز فيزياء الجسيمات الحديثة.
تنص نظرية الكروموديناميكا الكمومية على أن القوة النووية القوية تربط الكواركات لتكوين البروتونات من خلال تبادل جسيمات القوة المسماة بالغلوونات، تمامًا كما يربط الكهرومغناطيسية الإلكترونات لتكوين الذرات من خلال تبادل الفوتونات. بينما يضعف المجال الكهرومغناطيسي مع ازدياد المسافة، تزداد قوة القوة النووية القوية. لذا، يستحيل إخراج كوارك من بروتون ودراسته بمعزل عن غيره. بدلاً من ذلك، يؤدي ضرب كوارك واحد بقوة شديدة إلى توليد طاقة هائلة في مجال الغلوونات، ما ينتج عنه زوج جديد من الكواركات والمضادات: "سينتج عن ذلك إما نيوترون وميزون (حالة ارتباط بين كوارك ومضاد كوارك) أو بروتون وميزون"، كما يوضح فولكر بوركيرت من مختبر جيفرسون. "نريد دراسة الانتقال من بروتون إلى بروتون آخر لنتمكن من رؤية ما يحدث داخل البروتون نفسه، وليس في الانتقال إلى حالة أخرى."
في عام 1996، اقترح شيانغدونغ جي من جامعة ميريلاند طريقةً لتحقيق ذلك باستخدام عملية تُسمى "تشتت كومبتون الافتراضي العميق". تتضمن هذه العملية إطلاق إلكترونات عالية الطاقة ومستقطبة مغزليًا على البروتونات. أدرك جي أن مثل هذا الإلكترون يمكنه تبادل الطاقة والزخم الزاوي مع بروتون على شكل فوتون افتراضي عالي الطاقة، لا يدوم إلا لجزء ضئيل من الثانية. ثم يُطلق البروتون جزءًا من هذه الطاقة الزائدة على شكل فوتون حقيقي. وقد بيّن جي نظريًا أنه في حال رصد الإلكترون والبروتون المتشتتين والفوتون المنبعث، فسيكشف ذلك عن الضغط داخل البروتون.
التطورات الأساسية
تم رصد تشتت كومبتون الافتراضي العميق تجريبيًا لأول مرة عام 2000 من قِبل مجموعة بوركيرت في مختبر جيفرسون، وبشكل مستقل من قِبل فيزيائيين في ألمانيا. لاحقًا، شهدنا العديد من التطورات التجريبية والنظرية الأساسية التي حققها بوركيرت وجي وآخرون، مثل قياسات احتمالية حدوث هذه العملية (مقطع التشتت) للإلكترونات المستقطبة مغناطيسيًا ذات الطاقات المختلفة، وحسابات الروابط بين التشتت والضغط الداخلي.
في البحث الجديد، جمع بوركيرت وزملاؤه في مختبر جيفرسون كل هذه النتائج معًا لأول مرة في تجربة واحدة. قام الباحثون بقياس تشتت كومبتون الافتراضي العميق بين حزمة إلكترونات مستقطبة مغزليًا بطاقة 6 جيجا إلكترون فولت وهدف من الهيدروجين السائل المبرد، وذلك لاستكشاف البنية الداخلية للبروتونات. وقد حسبوا وجود ضغط تنافري في مركز البروتون يبلغ حوالي 1035 باسكال، وهو أكبر من الضغط في مركز النجم النيوتروني. ومع ذلك، على بُعد حوالي 0.6 فيمتومتر (0.6 × 10⁻¹⁵ متر) من المركز، أصبحت القوى جاذبة بقوة وبلغت ذروتها عند نصف قطر 0.8 فيمتومتر. ويقول الباحثون إن هذا يُعد تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بفهمنا السابق للضغط داخل البروتون. ويتوقعون إمكانية تقليل هامش الخطأ بشكل أكبر بعد التحديث الأخير لمسرع مختبر جيفرسون من 6 جيجا إلكترون فولت إلى 12 جيجا إلكترون فولت، مما قد يكشف أسرار حصر الكواركات. كما يعتزم الباحثون استكشاف تشتت كومبتون الافتراضي العميق في النيوترونات.
... يقول كريسمير كوميريكي، عالم فيزياء الجسيمات بجامعة زغرب في كرواتيا: "إنها دراسة جيدة ومثيرة للاهتمام، وخطوة أولى نحو استخلاص ضغوط الكواركات داخل البروتون". ويرغب في معرفة المزيد من التفاصيل التقنية لتحليل الأخطاء الذي أجراه الباحثون، لكنه يقول: "حتى لو كانت نسبة عدم اليقين أكبر مما يدّعون، فمن المهم أن... يُستخدم هذا التحليل للحصول على صورة فيزيائية للبروتون".
يقول أوليغ تيريايف من المعهد المشترك للأبحاث النووية في دوبنا، روسيا: "أعتقد أنها تعميم مثير للاهتمام حقًا للمفهوم النظري للضغط. فالضغط يربط بين جميع المقاييس، من الكون وعلم الكونيات - حيث يوجد الثابت الكوني - إلى النجوم، إلى الديناميكا المائية، إلى فيزياء الأيونات الثقيلة، والآن أخيرًا إلى البروتونات. يمكن دراسة جميع عناصر هذه العلاقة، وأنا أتطلع إلى ذلك بحماس".
المصدر: