양성자의 질량 반지름이 전하의 반지름보다 짧은 것 같다 – Ars Technica

자전거와 같은 물체의 무게를 묻는다면 간단하게 대답할 수 있습니다. 그러나 자전거의 질량이 어디에 있는지 묻는다면 상황이 조금 더 복잡해집니다. 자전거에는 크기, 모양 및 밀도가 모두 다른 많은 부품이 있으며 그 중 일부는 움직입니다. 따라서 자전거의 질량은 모양 주위에 불규칙하게 분포됩니다.

어느 정도 이것은 양성자의 질량이 어디에 있는지에 대한 질문과 유사합니다. 양성자는 중심점 주위를 상대론적 속도로 움직이는 쿼크와 ​​글루온의 집합체입니다. 양성자는 구성 쿼크보다 훨씬 더 무겁고 쿼크를 함께 묶는 글루온은 질량이 없다는 부끄러운 사실 때문에 자전거와의 비유가 완전히 무너진다는 사실 없이도 그룹 수명이 어디에 있는지 말하기는 어려울 것입니다. 사실, 관련된 입자의 질량은 다소 관련이 없습니다. 물리학자 Sylvester Johannes Josten은 Ars에 “쿼크의 질량을 0으로 설정하는 계산을 수행하면 양성자는 거의 동일합니다.”라고 말했습니다.

대신, 양성자 질량의 대부분은 글루온의 강력한 상호 작용에 의해 생성된 엄청나게 높은 에너지 밀도에서 비롯됩니다. 따라서 양성자의 질량을 이해하려면 글루온이 무엇을 해야 하는지 이해해야 합니다. 질량이 없고 전하가 없기 때문에 수행하기가 매우 어렵습니다. 그러나 일부 실험 작업은 입자 내부의 질량 분포를 설명하는 양성자의 질량 반경에 대한 값을 생성했습니다. 그리고 그 값은 양성자의 전하 반경과 크게 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

글루온 흡입

질량이나 전하가 없는 글루온은 감지하기가 매우 어렵습니다. 우리는 주로 입자 충돌에서 생성하는 데 도움이 되는 잔해로부터 그것들이 있어야 할 위치를 추론합니다. 우리는 그들의 행동을 어느 정도 모델링할 수 있지만, 이것은 주로 양자 색역학으로 설명됩니다. 양자 색역학은 막대한 계산 리소스를 무릎 꿇게 하는 능력으로 유명합니다. 따라서 최고의 글루온 행동 모델도 근사치입니다.

양성자의 질량이 주로 글루온에 의존한다면, 우리는 글루온이 무엇을 하는지 알 수 없습니다. 무슨 일이 일어나고 있는지 어떻게 알 수 있을까요?

트릭은 감지할 수 있지만 글루온의 존재에 민감한 프로세스를 식별하는 것이 었습니다. 이 과정은 에너지(빛의 형태)를 물질로 변환하는 것입니다. 특히 충분한 에너지를 가진 광자는 글루온을 근처의 양성자로 형성하는 섬세한 과정을 통해 매력 쿼크와 매력 반쿼크로 구성된 소위 J/중간자로 변환될 수 있습니다. J/중간자의 생성을 측정함으로써 양성자에서 질량이 있는 위치를 설명하는 글루온 중력 폼 팩터라는 것을 결정할 수 있습니다.

이를 수행하는 방법은 위 단락의 프로세스 설명만큼 복잡합니다. 그것은 Thomas Jefferson National Accelerator Facility에서 생산되는 고에너지 전자 빔으로 시작됩니다. 그런 다음 이러한 전자는 매우 전문적인 이름을 가진 프로세스에서 이동 방향을 가로질러 앞뒤로 이동합니다. 뒤흔들다. 이로 인해 에너지가 손실되어 고에너지 광자의 형태로 방출됩니다.

그런 다음 이 광자는 액체 수소 용기가 들어 있는 챔버를 통해 보내집니다. 대야를 통과하는 동안 일부 광자는 즉시 붕괴되는 J/ 중간자로 변환됩니다. 이 붕괴의 산물 중 두 가지는 전자와 양전자이며, 검출기에 의해 포획될 수 있어 J/ 중간자의 생성을 기록할 수 있습니다. 이러한 발견을 바탕으로 글루온 중력의 형상 인자를 재작업하여 알아낼 수 있습니다.

(나는 당신이 그것들을 이해하는 데 도움이 될 글루온 중력 폼 팩터에 대한 비유를 찾으려는 것이 아니라는 점에 유의하십시오. 그것들은 논문에서 “양성자의 에너지-운동량 텐서의 매트릭스 요소로 설명되어 있으며 기계적 특성을 인코딩합니다. 에너지-운동량 텐서의 이상 효과는 양자 색역학에 따르면 질량 기원의 주요 구성 요소입니다. )

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데이터를 사용할 수 있는 상태에서 연구자에게 필요한 모든 것은 양성자 내부에서 일어나는 일과 연구 결과를 연관시키는 글루온의 행동 모델이었습니다. 불행하게도 물리학자들은 양자 색역학과 관련된 모든 것을 직접 계산하는 것이 현재 하드웨어에서 거의 불가능하기 때문에 여러 가지 다른 모델을 생성했습니다. 따라서 사용 가능한 모델은 대부분 컴퓨터가 유용한 것을 생성할 수 있도록 근사치를 만드는 대체 방법입니다.

대부분의 경우, J/m 질량을 가진 무언가로 변환할 에너지가 거의 없는 낮은 에너지 광자의 경우 상황이 약간 더 악화되었지만 다양한 추정치가 상당히 유사한 답변을 생성했습니다. 그러나 다른 접근법은 양성자의 질량이 있는 위치와 양성자의 질량 반지름에 대한 대략적인 일치를 제공합니다.

결과에 대한 놀라운 점은 양성자의 전하 반경과 다르다는 것입니다. 전하의 반경을 측정하는 여러 방법 간에 약간의 차이가 있지만(비록) 그 차이는 상대적으로 미미합니다. 그리고 모든 측정은 전하 반경과 질량 반경을 구분합니다. 전하는 쿼크의 산물이기 때문에, 이것은 이 입자들이 전체 양성자를 함께 붙들고 있는 글루온이 빈번한 영역 외부에서 규칙적으로 궤도를 돌고 있음을 나타냅니다.

그러나 Justine은 상황이 더 복잡하다는 힌트가 있다고 말했습니다. J 중간자를 형성하는 반응에는 스핀이 정렬된 글루온의 교환이 필요했습니다. 스칼라 상호작용이라고 하는 스핀이 반대인 글루온을 교환하는 것도 가능합니다. 그리고 표준 반지름도 다르다는 힌트가 있습니다.

“표준 반경을 볼 것으로 예상해야 합니다.” Justin이 말했습니다. “우리는 거대한 것을 봅니다. 양성자 주위를 도는 이 큰 후광처럼 훨씬 더 큽니다.”

여기서 한 가지 주의할 점은 Joosten이 그 발견이 매우 예비적이라고 말했다는 것입니다. 다른 하나는 “거대한”이라는 용어의 사용이 상대적이라는 것입니다. 이 모든 것은 아원자 입자 내부에서 발생합니다.

그러나 결과가 유지된다면 양성자는 적어도 세 가지의 고유한 반지름(전하, 질량 및 게이지)을 가지며 길이가 모두 다르다는 것을 나타냅니다.

그리고 여기에서 자전거 비유가 다시 이해되기 시작할 수 있습니다. 결국, 자전거의 무게 중심이 페달과 같은 위치에 있거나 조향이 발생하는 위치에 있을 것으로 기대하지 않습니다. 단일 유기체이지만 복합적 특성은 이러한 행동의 다양한 측면이 반드시 공통적으로 지역적일 필요는 없음을 의미합니다. 양성자도 마찬가지인 것 같습니다.

자연, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05730-4 (DOI에 대해).