Průlomové měření částice: Jaký je tlak uvnitř protonu?  
Američtí fyzici rafinovaně využili elektromagnetických sond tvořených svazky elektronů a s jejich pomocí zmapovali rozložení tlaku uvnitř jediného protonu. Jako první tím pádem dokázali změřit mechanickou vlastnost subatomární částice.
Jaký je tlak uvnitř protonu? Kredit: DOE's Jefferson Lab.
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. 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.
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.

Datum: 22.05.2018
Tisk článku

Gravitace - Clegg Brian
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 325 Kč
cena: 276 Kč
Gravitace
Clegg Brian
Související články:

Gravitační konstanta je zřejmě univerzálně konstantní     Autor: Stanislav Mihulka (10.08.2015)
Fyzici budou převážet antihmotu. V dodávce.     Autor: Stanislav Mihulka (21.02.2018)
Japonští vědci měřili gravitaci na extrémně malých vzdálenostech     Autor: Stanislav Mihulka (27.03.2018)



Diskuze:

Neutr. hviezda

Peter Somatz,2018-05-24 00:07:01

Ak sa chceli dopracovat k tomu cislu, mohli na to ist aj 'zhora', nie? Ved ak neutronova hviezda drzi, tak je jasne, ze ten najcentralnejsi neutron musi mat dostatocny tlak smerom von, aby to udrzal. Neutron je zrejme este o cosi pevnejsi ako proton, vdaka reverznemu beta rozpadu, ked je protonu vtlaceny elektron. Uz mensie cierne diery to stastie nemaju, tam je tlak prilis velky a vznika nejaka ina - ciernodierova castica/ce - s este o par radov mensim priemerom a sialenou gravitaciou. Ale singularita? Ee, to je rozpravka. Stale tvrdim, ze "hmota" je len "zahrckane" svetlo. Ked ma energia postupujuca priestorom dostatocne dlhu vlnovu dlzku/malu energiu, tak nie je problem. Napr. gama luce maju 1pm=1E-12m. Ale akonahle sa to zacne blizit granularite casopriestoru, tak sa to svetlo "zahrcka" a vznika castica - energia sustredena do bodu. Elektron napr. ma 1E-18m. Ved nakoniec, konverzia tam a spat je mozna. Na castice to islo pri velkom tresku, na svetlo to ide pri anihilacii. E=mc2, E=hf.

Odpovědět


Re: Neutr. hviezda

Petr Kr,2018-05-24 09:14:51

Úplně jsem vás nepochopil, protože když např. potřebuji zjistit šířku svého auta, podle vaší metody vezmu krabičku od sirek a zjistím, že je to více než ta krabička a pak zkusím projet čtyřmetrovou dírou a zjistím, že to jde. Takže moje auto je široké mezi 4 cm a 4 m.
Já ale vím, že mezi roztaženým palcem a prostředníkem mám 18 cm a tak to odměřím a zjistím, že to dá 10x moji palcoprst, takže auto má šířku asi 180 cm (navíc ze zkušenosti asi +- 5% max.).
Není to analogie? Není to dopracování se shora jen limita, kde už to může být a to měření, kde to asi je?

Odpovědět


Re: Re: Neutr. hviezda

Peter Somatz,2018-05-25 23:40:43

Toz, sposoby merania su rozne. Ja tiez nie som fyzik. Len som sa pytal. A ked niektori teoretizuju o kvarkovych hviezdach (https://en.wikipedia.org/wiki/Quark_star), mal som pocit, ze vedia ake maju hmotnosti, a ze z toho by sa dalo odvodit co neutron znesie. Prakticky experiment by vyzeral asi tak, ze sa so svojou raketou usalasite na orbite neutronovej hviezdy, hadzete dolu kelimky zo zjedenych jogurtov a cakate, kedy to imploduje na nieco este hustejsie.
To ze neutron je na tlak silnejsi ako proton mi hovori intuicia -> o elektron viac energie, ktoru ten vonkajsi tlak musi prekonavat.
K Vasemu prikladu: pri 1,5m diere bezpecne zistite ze nieco nesedi.

Odpovědět


Re: Neutr. hviezda

Jirka Naxera,2018-05-24 14:33:26

Můžu se zeptat, jak si tu pevnost neutronu a protonu představit?
Nějak mi nedává smysl tvrzení že neutron je pevnější než proton (nechtěl bych to počítat, navíc to ani neumím, ale tipnul bych si že proton v přítomnosti elektronů je +-stejně pevný jako neutron v přítomnosti pozitronů, a že to klíčové v p + e -> n (+ n_e) bude asi to, že je energeticky výhodnější mít v tom objemu neutronový degenerovaný plyn než kombinaci protonů a elektronů; když se pak ¨vypne gravitace¨ tak se to zase začne srovnávat zpátky tuším s 15minutovým poločasem).

Odpovědět

Tlak?

Radim Šmíd,2018-05-23 20:45:57

Vždy jsem uvažoval o pojmu "tlak" jako o sile podělené plochou. Jde tedy o sílu, s jakou se kvarky snaží dostat od sebe podělenou plochou koule, která vymezuje objem protonu?
Je mi jasné že uvažovat o protonu jako o kouli je nesmysl. Ale jeho objem lze určitě do koule uzavřít...

Odpovědět


: Tlak?

Josef Hrncirik,2018-05-24 08:30:21

objemová hustota translační vnitřní energie

Odpovědět


: Tlak =

Josef Hrncirik,2018-05-24 08:55:18

intenzita toku

Odpovědět


Re: : Tlak =

Josef Hrncirik,2018-05-24 09:23:45

hybnosti )impulzu)

Odpovědět


Re: Re: : Tlak =

Mojmir Kosco,2018-05-24 20:05:29

Ale vždy je to něco na něco . takže co tlačí na co v rámci jednoho kvarků ?

Odpovědět


Re: Re: Re: : Tlak =

Josef Hrncirik,2018-05-24 21:03:57

NA TO pochopitelně neodpovím, protože mi zůstal jenom VUML.
Ś kvarci se prostě přitahují nebo odpruzují podle vzdálenosti a přirozenosti, ev. s výpomocí moci virtuálního oběživa-výměnných částic.
A už máme toky hybností či plošné zatížení, či objemovou hustotu translační energie či jejich gradienty a dál už je to jen bohapustá numerika.
Vše navíc je jen od ďábla (Velkého Satana)
Allahu Akbar!

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: : Tlak =

Pavel Nedbal,2018-05-24 22:43:41

Zajímalo by mne toto:
- v první půli minulého století z nukleární fyziky cosi vypadlo, co má nějaké použití - uvolnění Joulíků, ať již rychle, nebo pomaleji.
Dobrá, máme standardní model, řekněme, že je konečný (aspoň v rámci největšího reálně postaveného urychlovače).
Je vůbec nějaká naděje, že z toho výzkumu vypadne něco použitelného (ať již v dobrém, nebo zlém), napadá mne nějaká stabilní hmota s jinou konfigurací kvarků s nějakými exotickými vlastnostmi, třeba s extrémní hustotou, extrémní tepelnou kapacitou, nebo velmi vysokou teplotní odolností, nebo dokonale odrazivá,
nebo teď už je více-méně konec s eventuálními aplikacemi a budeme jen teoretizovat?

Odpovědět

Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Karel Rabl,2018-05-23 18:41:27

Ten je tak hmotný že se částice které se snaží zachovat v našem prostoru (vesmíru) nejen hmota a antihmota třeba písek včetně člověka.Tlak kladného či záporného času je tak obrovský že může uniknout pouze foton, elektromagnetické záření, neutrino či gravitace která se šíří rychlostí světla.V čase který má několik Plankových délek se udělají vlnky, které pak zkondenzují na hmotu(kolik vlnek i hmoty taková energie se zpracuje na různou hmotu) která okolo sebe vytvoří vakuum (prostor), jenže je tímto prostorem(vakuem) tlačena zpět do nečasu(černých polo dír) či zrcadlového odrazu Plankova času mimo naši dimenzi.
Ale jsem jen laik(nevystudovaný fyzik) proto berte můj myšlenkový pochod s rezervou.

Odpovědět


Re: Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Tomáš Hasa,2018-05-23 19:46:12

Člověče, vy jste mě nakonec přinutil se zaregistrovat. Musím vyjádřit obdiv k Vašemu nemalému přínosu světové obci patafyzické. Ale bylo by lepší, kdybyste adresoval Vaše poznatky kompetentním institucím. Obávám se, že Osel není ta pravá platforma pro publikování takto radikálních a opravdu průlomových myšlenek. Navíc z nich dostávám (a věřím, že nejsem sám) komplexy z vlastní malosti.

Odpovědět


Re: Re: Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Karel Rabl,2018-05-24 07:58:53

Děkuji za "uznání" a jsem rád že jsem Vás k něčemu "donutil" hlavně přemýšlet nad tím, zda tudy cesta vede či ne.
Osel mi vyhovuje, protože je seriózní a po jednoduchém zaregistrování mohu psát svoje(technické) pocity a myšlenky, a činím tak již mnoho let, byť jsem měl za totality(bohu dík) "zakázáno" studovat.
No nic jdu kydat hnůj, tedy jakési komplexy, dodnes jsem nepochopil proč tím někteří lidé trpí, nejspíš to bude nedostatkem pohybu proti směru času(jakýkoliv pohyb živého tvora).
Ps. ta "plachta" podle mně (na které se ty vlnky tvoří) Plankova času je z "našeho pohledu třírozměrné dimenze" samozřejmě 2 rozměrná.

Odpovědět


Re: Re: Re: Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Tomáš Hasa,2018-05-24 09:16:30

To tedy není ani náhodou. Ta "plachta" má dimenzi 2*ln(3)
Je smutné, že Vám coby autorovi unikla tak elementární chyba, na jejíž odhalení mi stačil jeden večer a flaška Fernetu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Karel Rabl,2018-05-25 10:40:55

Máte pravdu zapomněl jsem dodat "v našem třírozměrném prostoru v čase 0" a to nejen pro nás, ale i pro rychlost světla, jakmile se pohnete(jinam než 2D), přibude obyčejná Lorenzova(matematika) transformace a ta již počítá se čtyřmi vektory(kdy třírozměrný prostor nemůže bez jednoho vektoru existovat).

Odpovědět


Re: Myslím si že za tlak na částice může prostor.

Palo Fifunčík,2018-05-23 20:32:46

mne sa zdá logické , že po BB teplota vo vesmíre postupne klesala , keď po ére žiarenia ako to kondenzovalo nasledovala éra látky , v ktorej sa sformovali protony , neutrony ako hmota a resp./ aj antihmota / a čo sa nestihlo vyprofilovať na niečo "hmotné" ostalo ako reliktné žiarenie . No a na ten pokles teploty boli asi najcitlivejšie kvarky ,ktorých "zamrznutím" vznikli elementárne častice z nich zložené ... Kedže naša pozemská teplota je dosť nízka , ja sa ani nečudujem , že nie je jednoduché tieto kvarky napríklad z tých protonov " vypáčiť " aj v takom CERNE a teda predpokladám , že tam /v neutrone resp.rpotone/ musí byť uväznená neuveritelne extrémna energia ... Tiež prosím jadrových fyzikov o zhovievavosť , ale takto nejako si to predstavujem ...

Odpovědět

Kvark

Palo Fifunčík,2018-05-22 20:06:33

Osobne by ma zaujímalo , či kvark a jeho druhy , ako taká /sub/ elementárna častica protonu a neutronu bol dokázaný v pokusoch v CERNE ,alebo ide o teoretický koncept štruktury ?

Odpovědět


Re: Kvark

Vojtěch Kocián,2018-05-22 22:01:10

V podstatě ani jedno ani druhé.
Samostatný kvark nikdo neviděl na žádném urychlovači a jestli někdy uvidí, není zcela jasné (standardní model tvrdí, že samostatně existovat nemohou).
Že proton nebo jiný hadron má vnitřní strukturu, je známo a změřeno už poměrně dlouho (tuším od šedesátých let 20. století). Takže čistě teoretický koncept to není.

Odpovědět


Re: Re: Kvark

Jirka Naxera,2018-05-23 07:12:38

Naštěstí je to mnohem lepší - volný quark jako takový sice existovat podle QCD samostatně nemůže, ale to neznamená že ho nemůžeme "vidět" (ve smyslu pozorovat na urychlovači běžnými technikami).
To co urychlovače vidí jsou částice nebo jety částic, z nich pokud patří ke stejnému eventu se dá zpětně dopočítat energie a hybnost částice ze které vznikly. (platí zákony zachování energie, hybnosti, některých kvantových nábojů atd.).
No a pak se zjistí, že na určité energii je špička (peak) v produkci, porovná se to s teorií, a zjistí se, že to odpovídá nějaké částici. No a když to teorii odpovídá ve více kanálech, tak se to prohlásí za objevenou částici.

Z tohoto pohledu se dá říct, že (pakliže SM správně popisuje přírodu - interpretace závisí na teorii) kvarky byly prokázány, pokud je SM chybný, tak správná teorie musí obsahovat něco, co se alespoň na nízkých energiích (do jednotek TeV) chová velmi přesně jako SM kvarky, ať už je to ve skutečnosti cokoli (a ať už pojem "ve skutečnosti" dává smysl nebo ne).

Odpovědět


Re: Re: Re: Kvark

Milan Krnic,2018-05-24 11:43:09

Správně tedy "byly popsány" (v kontextu skutečně).

Odpovědět

tlak

Petr Petr,2018-05-22 16:25:43

Podle volně dostupného Fig. 1 článku
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0060-z
je vidět závislost SÍLY na vzdálenosti.
(byť je v Nature! zavádějícně nazván "Radial pressure distribution in the proton")
Odpudivá síla má maximum cca na 0,3 fm od středu protonu.
Po přepočtu z GeV je tam zhruba 10 kN. (což pro popularizaci není ohromující)
Vyděleno r^2 to dá tlak těch řádově 1E35 Pa.
Nutno ovšem podotknout, že odpudivá síla ve středu protonu jde k nule.
Ovšem tlak ve středu může být o mnoho řádů větší než těch 1E35 Pa.
(může i divergovat)
Takže to srovnávání s tlakem neutronových hvězd je zavádějící...

Odpovědět


Re: tlak

Richard Palkovac,2018-05-23 16:29:01

Mne sa to zrovnanie naopak páči, nakoľko to jasne vysvetľuje, prečo je neutrónová hviezda z neutrónov (aspoň vo väčšine svojho objemu) a nie z nejakej quark-gluónovej "kaše". Predpokladám, že neutróny odolávajú približne rovnakému tlaku ako zmerané protóny.

Odpovědět


Tlak kvůli placení 22 doláčů za článek Vám sníží Vladimírův SCIHUB

Josef Hrncirik,2018-05-24 14:11:41

CELÝ ČLÁNEK ZA 0 rublíků je tam možno stáhnout pod DOI
10.1038/s41586-018-0060-z
Furt marně píši, ať Oslové vždy uvádí DOI!
Není každý vyplácen předem dostatkem čerstvých dolarů.

Odpovědět


Max. repulzní tlak mi vyšel jen 1,4.10**24 Pa

Josef Hrncirik,2018-05-24 15:40:27

Z fig.1 jsem v poho odečetl max. hustotu repulze cca 7,2.100 GeV/fm.
Poděli(a)l jsem to nejnadějnějšími cca (0,3 fm)**2, dostal cca 8.10**33 GeV/m**3, tj.
cca 8.10**33.10**9.10**5/6.10**23 = 1,3.10**24 J/m3 = 1,3.10**24 Pa = 1,3 PGPa či
1,3 GPPa.
Kde málo (cca hG) tlačím na pilu?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace