پروتونها برای همه مواد اساسی هستند، اما ساختار داخلی آنها یکی از پیچیدهترین معماها در فیزیک باقی مانده است.
آنها از کوارکها ساخته شدهاند. نیروی قوی مسئول نگه داشتن این کوارکها در کنار هم آنقدر قدرتمند است و در مقیاسهای بسیار کوچکی عمل میکند که تکنیکهای تجربی سنتی برای اندازهگیری مستقیم آن با مشکل مواجه هستند.
با این حال، از آنجایی که پروتونها نقش مهمی در هسته اتمی ایفا میکنند، درک نیروهای قوی درون آنها مهم است. این اطلاعات میتواند مدلهای مختلف فیزیک نظری را بهبود بخشد و دقت آزمایشهای پرانرژی را افزایش دهد.
تبدیل فضا و زمان به شبکه
با در نظر گرفتن این حقایق، تیمی از محققان بینالمللی مطالعهای را انجام دادند که هدف آن نقشهبرداری از نیروهای داخل یک پروتون بود و شگفتآور اینکه مطالعه آنها به یک موفقیت بزرگ تبدیل شد.
ریچارد یانگ، یکی از نویسندگان مطالعه و دانشیار دانشگاه آدلاید، گفت: «با آشکار کردن نیروهای نامرئی درون پروتون برای اولین بار، این مطالعه شکاف بین تئوری و آزمایش را پر میکند - درست همانطور که نسلهای قبلی اسرار نور را برای تغییر دنیای مدرن کشف کردند.»
برای کشف نیروهای درون یک پروتون، نویسندگان مطالعه از یک تکنیک محاسباتی به نام کرومودینامیک کوانتومی شبکهای (Lattice QCD) استفاده کردند. این روش از ابررایانههای قدرتمند برای مطالعه ذرات بنیادی مانند کوارکها و گلوئونها استفاده میکند.
به جای تلاش برای مشاهده مستقیم این ذرات، که بسیار چالش برانگیز است، محققان با تقسیم فضا و زمان به نقاط گسسته کوچک، یک شبکه مجازی ایجاد میکنند.
این گام کوچک میتواند منجر به تغییرات بزرگ شود
این شبکه به آنها اجازه میدهد تا معادلات پیچیدهای را اعمال کنند که نحوه تعامل کوارکها از طریق نیروی قوی در داخل یک پروتون را شبیهسازی میکنند. شبیهسازیها در نهایت منجر به نقشهای شد که نیروهای در حال کار در داخل پروتون را نشان میدهد.
جاشوا کرافورد، محقق اصلی و دانشجوی دکترا در دانشگاه آدلاید، گفت: «یافتههای ما نشان میدهد که حتی در این مقیاسهای کوچک، نیروهای درگیر بسیار زیاد هستند و به نیم میلیون نیوتن میرسند، معادل حدود ۱۰ فیل، که در فضایی بسیار کوچکتر از هسته اتمی فشرده شدهاند.»
درک پویایی داخلی پروتونها برای بهبود دانش ما از فیزیک هستهای و ذرات ضروری است. مطالعه حاضر یکی از اولین گامها به سوی شناخت نیروهایی است که یک پروتون را دست نخورده نگه میدارند.
در آینده، اکتشافاتی که بر اساس یافتههای این مطالعه ساخته شدهاند، میتوانند به رآکتورهای هستهای کارآمدتر، مواد پیشرفته و استراتژیهای مؤثر درمان سرطان کمک کنند.
به عنوان مثال، پروتونتراپی، نوعی از درمان سرطان که به پروتونهای پرانرژی برای حمله و از بین بردن تومورها متکی است، میتواند از درک عمیقتر رفتار پروتون بهرهمند شود. تحقیقات بیشتر در مورد نیروهای داخل یک پروتون ممکن است دقت در چنین درمانهایی را بهبود بخشد.
یانگ گفت: «همانطور که پیشرفتهای اولیه در درک نور، راه را برای لیزرها و تصویربرداری مدرن هموار کرد، پیشرفت دانش ما از ساختار پروتون میتواند نسل بعدی کاربردها را در علم و پزشکی شکل دهد.»
این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.