Neutronensterne sind dafür bekannt, dass sie eine sehr hohe Dichte mit einem sehr kleinen Radius kombinieren. Als Überreste massereicher Sterne, die einem Gravitationskollaps unterzogen wurden, wird das Innere eines Neutronensterns so stark komprimiert, dass er ähnliche Druckbedingungen wie Atomkerne aufweist. Im Grunde werden sie so dicht, dass sie den gleichen Innendruck erfahren wie das Äquivalent von 2,6 bis 4,1 Billiarden Sonnen!
Trotzdem haben Neutronensterne nichts auf Protonen, so eine aktuelle studie von Wissenschaftlern des Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Nach der ersten Messung der mechanischen Eigenschaften subatomarer Teilchen stellte das wissenschaftliche Team fest, dass der Druck in der Nähe des Zentrums eines Protons etwa zehnmal höher ist als der Druck im Herzen eines Neutronensterns.
Die Studie, die die Ergebnisse des Teams beschreibt, mit dem Titel „ Die Druckverteilung im Proton “, erschien kürzlich in der wissenschaftlichen ZeitschriftNatur.Die Studie wurde von Volker Burkert, einem Kernphysiker an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), geleitet und von Latifa Elouadrhiri und Francois-Xavier Girod – ebenfalls vom TJNAF – mitverfasst.
Querschnitt eines Neutronensterns. Quelle: Wikipedia Commons/Robert Schulze
Im Wesentlichen fanden sie heraus, dass die Druckbedingungen im Zentrum eines Protons 100 Demillionen Pascal betrugen – etwa das Zehnfache des Drucks im Herzen eines Neutronensterns. Sie fanden jedoch auch heraus, dass der Druck im Inneren des Partikels nicht gleichmäßig ist und mit zunehmendem Abstand vom Zentrum abfällt. Als Volker Burkert, Leiter der Jefferson Lab Hall B, erklärt :
„Wir fanden einen extrem hohen nach außen gerichteten Druck vom Zentrum des Protons und einen viel niedrigeren und ausgedehnteren nach innen gerichteten Druck in der Nähe der Peripherie des Protons … Unsere Ergebnisse geben auch Aufschluss über die Verteilung der starken Kraft im Inneren des Protons. Wir bieten eine Möglichkeit, die Größe und Verteilung der starken Kraft im Proton zu visualisieren. Dies eröffnet eine völlig neue Richtung in der Kern- und Teilchenphysik, die in Zukunft erforscht werden kann.“
Protonen bestehen aus drei Quarks, die durch die starke Kernkraft verbunden sind, eine der vier fundamentalen Kräfte, die das Universum regieren – die andere sind Elektromagnetismus, Schwerkraft und schwache Kernkräfte. Während Elektromagnetismus und Gravitation die Effekte erzeugen, die die Materie auf den größeren Skalen bestimmen, regieren schwache und starke Kernkräfte die Materie auf der subatomaren Ebene.
Bisher dachten Wissenschaftler, es sei unmöglich, detaillierte Informationen über subatomare Teilchen zu erhalten. Die Forscher konnten jedoch Ergebnisse erzielen, indem sie zwei theoretische Rahmen mit vorhandenen Daten kombinierten, die aus Modellierungssystemen bestanden, die auf Elektromagnetismus und Schwerkraft beruhen. Das erste Modell betrifft generalisierte Partonenverteilungen (BIP), während das zweite gravitative Formfaktoren beinhaltet.
Quarks in einem Proton erfahren eine Kraft, die um eine Größenordnung größer ist als die Materie in einem Neutronenstern. Bildnachweis: Jefferson Lab von DOE
Patron-Modellierung bezieht sich auf die Modellierung subatomarer Einheiten (wie Quarks) innerhalb von Protonen und Neutronen, die es Wissenschaftlern ermöglicht, 3D-Bilder der Struktur eines Protons oder Neutrons (wie durch die elektromagnetische Kraft untersucht) zu erstellen. Das zweite Modell beschreibt die Streuung subatomarer Teilchen durch klassische Gravitationsfelder, die die mechanische Struktur von Protonen bei Sondierung über die Gravitationskraft beschreibt.
Wie bereits erwähnt, dachten Wissenschaftler zuvor, dass dies aufgrund der extremen Schwäche der Gravitationswechselwirkung unmöglich sei. Neuere theoretische Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass es möglich sein könnte, die mechanische Struktur eines Protons mit elektromagnetischen Sonden als Ersatz für Gravitationssonden zu bestimmen. Laut Latifa Elouadrhiri – einem Mitarbeiter des Jefferson Lab und Co-Autor des Papiers – wollte ihr Team dies beweisen.
„Das ist das Schöne daran. Sie haben diese Karte, von der Sie glauben, dass Sie sie nie bekommen werden“, sagte sie. 'Aber hier sind wir und füllen es mit dieser elektromagnetischen Sonde aus.'
Für ihre Studie verwendete das Team die DOE's Kontinuierliche Elektronenstrahlbeschleunigeranlage am TJNAF, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Diese wurden dann in die Kerne von Atomen geleitet, wo sie über einen Prozess namens Deep Virtual Compton Scattering (DVCS) elektromagnetisch mit den Quarks im Inneren von Protonen wechselwirkten. Dabei tauscht ein Elektron ein virtuelles Photon mit einem Quark aus und überträgt dabei Energie auf Quark und Proton.
Die nackten Massen aller 6 Geschmacksrichtungen von Quarks, Proton und Elektron, dargestellt in proportionalem Volumen. Bildnachweis: Wikipedia/Incnis Mrsi
Kurz darauf gibt das Proton diese Energie ab, indem es ein weiteres Photon emittiert, während es intakt bleibt. Durch diesen Prozess war das Team in der Lage, detaillierte Informationen über die Mechanik zu erhalten, die in den von ihnen untersuchten Protonen vor sich geht. Francois-Xavier Girod, ein Mitarbeiter des Jefferson Lab und Co-Autor des Papiers, erklärte den Prozess:
„Es kommt ein Photon herein und ein Photon kommt heraus. Und das Photonenpaar ist beides Spin-1. Das gibt uns die gleichen Informationen wie der Austausch eines Graviton-Teilchens gegen Spin-2. Jetzt kann man also im Grunde dasselbe tun, was wir bei elektromagnetischen Prozessen getan haben – aber relativ zu den gravitativen Formfaktoren, die die mechanische Struktur des Protons darstellen.“
Der nächste Schritt, so das Forscherteam, wird sein, die Technik auf noch genauere Daten anzuwenden, die in Kürze veröffentlicht werden. Dies wird Unsicherheiten in der aktuellen Analyse reduzieren und es dem Team ermöglichen, andere mechanische Eigenschaften im Inneren von Protonen aufzudecken – wie die inneren Scherkräfte und den mechanischen Radius des Protons. Diese Ergebnisse und die, die das Team in Zukunft veröffentlichen möchte, werden sicherlich auch für andere Physiker von Interesse sein.
„Wir bieten eine Möglichkeit, die Stärke und Verteilung der starken Kraft im Proton zu visualisieren“, sagt Burkert. „Dies eröffnet eine völlig neue Richtung in der Kern- und Teilchenphysik, die in Zukunft erforscht werden kann.“
Vielleicht, nur vielleicht, wird es uns näher bringen zu verstehen, wie die vier fundamentalen Kräfte des Universums interagieren. Während Wissenschaftler verstehen, wie Elektromagnetismus und schwache und starke Kernkräfte miteinander interagieren (wie von der Quantenmechanik beschrieben), sind sie sich immer noch nicht sicher, wie diese mit der Schwerkraft interagieren (wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben).
Ob und wann die vier Kräfte in a vereint werden können Theorie von allem (ToE) wird eine der letzten und größten Hürden für ein vollständiges Verständnis des Universums endlich beseitigt.
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