Якщо ви взяли на борт Magic School Bus і почали скорочуватися - менше, ніж мурашка, амеба чи окрема клітина, а потім продовжували скорочуватися, поки поодинокі атоми не були великими, як цілі світи, і навіть їх складові частинки висіли над вами - ви б ввести у світ бурхливий величезний, суперечливий тиск.
У центрі протона тиск, більший за тиск у нейтронної зірки, викинув би вас до краю частинки. Але у зовнішніх межах протона однакова і протилежна сила підштовхне вас до центру протона. По дорозі вас бить збиті силами зсуву, котрі рухаються вбік, що набагато перевищує все, що будь-яка людина коли-небудь відчує за своє життя.
Новий документ, опублікований 22 лютого у журналі Physical Review Letters, пропонує найбільш повний опис конкуруючих тиску всередині протона, а не лише щодо його кварків - частинок, які надають протону його масу - але його глюонів, безмасштабні частинки, які зв'язують ці кварки разом.
Це кипляче, кипляче квантове стан
Прості описи протонів включають всього три кварки, утримувані разом купою глюонів. Але ці описи є неповними, зазначила співавтор дослідження Фіала Шанахан, фізик Массачусетського технологічного інституту (MIT).
"Протон складається з купки глюонів, а потім насправді купа кварків", - сказав Шанахан Live Science. "Не просто три. Є три основні кварки, а потім будь-яка кількість парків кварк-антикварк, які з'являються і зникають ... і все це складні взаємодії цього бульбашкового, киплячого квантового стану, які створюють тиск".
Шанахан та співавтор Вільям Детмольд, який також є фізиком на MIT, виявили, що глюони виробляють приблизно вдвічі більше тиску, ніж кварки всередині протона, і що цей тиск розподіляється на більш широку область, ніж раніше було відомо. Вони виявили, що загальний тиск протона досягає 100 декаллів (або 1 з 35 нулями після нього) паскалів - або приблизно 260 секстиліонів (або 26 з 22 нулями після нього) в рази більше тиску в центрі Землі.
Критично, що тиск вказує у двох різних напрямках.
"Там є область позитивного тиску, тому також має бути область негативного тиску", - сказала вона. "Якби була лише область позитивного тиску, протон продовжував би розширюватися, і він не був би стабільним".
Дуже великий розрахунок
Але настільки величезні, як ці тиски, вчені не можуть безпосередньо вимірювати їх за більшості обставин. Щоб дослідити інтер'єри протонів, вчені бомбардують їх рівними дрібнішими електронами при дуже високій енергії. В процесі цього вони змінюють протони. Жоден відомий експеримент не може виявити, як це всередині протона при низьких енергіях, які вони зазвичай відчувають.
Тож вчені покладаються на теорію квантової хромодинаміки (QCD) - яка описує кварки та сильні глюони, що несуть силу, що пов'язують їх між собою. Вчені знають, що QCD працює, тому що експерименти з високою енергією дають свої прогнози, сказав Детмольд. Але при низьких енергіях їм довіряти математиці та обчисленням.
"На жаль, дуже важко аналізувати аналітично, записуючи рівняння з ручки та паперу", - сказав Шанахан.
Натомість дослідники звертаються до суперкомп'ютерів, які об'єднують тисячі процесорних ядер разом для вирішення складних рівнянь.
Навіть з двома суперкомп'ютерами, які працюють разом, розрахунки зайняли близько року, сказала вона.
Шонахан і Детмольд розбили протон на різні його розміри (три для простору і один для часу), щоб спростити проблему, яку довелося вирішити суперкомп'ютерам.
Замість однієї цифри отримана карта тиску виглядатиме як поле стрілок, різного розміру і вказує в різні боки.
Тож відповідь на питання: "Який тиск усередині протона?" багато що залежить від того, про яку частину протона ви просите.
Це також залежить від радіуса протона. Якщо протони - це мішки з глюонами та кварками, вони мішають і скорочуються залежно від інших діючих на них частинок. Тож результати Шанахана та Детмольда не зводяться до єдиного числа.
Але тепер наші карти крайнощів усіх цих крихітних, киплячих світів всередині нас набагато яскравіші.
