陽子の質量半径は電荷の半径よりも短いようです – Ars Technica

自転車のようなものの重さはどれくらいかと問われれば、答えは簡単です。 しかし、自転車の質量がどこにあるかを尋ねると、事態はもう少し複雑になります。 自転車には、サイズ、形状、密度が異なる多数のパーツ (一部は可動) があるため、その質量は形状の周りに不規則に分布しています。

これは、陽子の質量がどこにあるかという問題にある程度似ています。 陽子は、中心点の周りを相対論的な速度で移動するクォークとグルオンの集まりです。 1 つの厄介な事実のために自転車とのアナロジーが完全に崩壊するという事実がなければ、そのグループの寿命がどこにあるのかを判断するのは難しいでしょう: 陽子はそれを構成するクォークよりもはるかに重く、クォークを一緒に保持しているグルオンは質量がありません. 実際、関与する粒子の質量はあまり関係がありません。 「クォークの質量をゼロに設定する計算を行う場合、陽子はほとんど同じものです」と物理学者のシルベスター・ヨハネス・ジョステンはArsに語った.

代わりに、陽子の質量の多くは、グルーオンの強い力の相互作用によって生成される信じられないほど高いエネルギー密度に由来します。 したがって、陽子の質量を理解するには、グルーオンが何をしなければならないかを理解する必要があります。 質量がなく、電荷がないため、これを行うのは非常に困難です。 しかし、いくつかの実験研究により、粒子内部の質量分布を表す陽子の質量半径の値が作成されました。 そして、その値は陽子の電荷の半径とは大きく異なることがわかります。

グルオンの吸入

質量も電荷も持たないグルオンは検出が非常に困難です。 私たちは主に、粒子の衝突で作成するのに役立つ破片から、それらがどこにあるに違いないかを推測します。 彼らの行動をある程度モデル化することはできますが、これは主に量子色力学によって説明されます。 したがって、グルオンの動作の最良のモデルでさえ近似値です。

陽子の質量が主にそのグルーオンに依存している場合、グルーオンが何をしているかがわからない場合、何が起こっているかをどうやって知ることができますか?

その秘訣は、検出可能であるが、グルオンの存在に敏感なプロセスを特定することでした。 このプロセスは、エネルギー (光の形) を物質に変換することです。 具体的には、十分なエネルギーの光子は、グルオンを近くの陽子に形成する繊細なプロセスを通じて、チャームクォークとチャーム反クォークで構成される、いわゆる J/中間子に変換できます。 J/中間子の生成を測定することで、質量が陽子のどこにあるかを表す、グルーオン重力フォーム ファクターと呼ばれるものを決定することができます。

それを行う方法は、上記の段落のプロセスの説明とほぼ同じくらい複雑です。 それは、トーマス・ジェファーソン国立加速器施設で生成された高エネルギー電子のビームから始まります。 これらの電子は、非常に専門的な名前のプロセスで、移動方向を横切って前後に移動します。 ウグル. これにより、エネルギーが失われ、高エネルギーの光子の形で放出されます。

これらの光子は、液体水素の容器を含むチャンバーを介して送信されます。 盆地を横切る間、一部の光子は J/ 中間子に変換され、すぐに崩壊します。 この崩壊の生成物のうちの 2 つは電子と陽電子であり、これらは検出器によって捕捉され、J/中間子の生成を記録することができます。 これらの発見に基づいて、グルーオン重力の形状因子を再加工して見つけることができます。

(私は、グルオンの重力フォーム ファクターを理解するのに役立つアナロジーを見つけようとしているわけではないことに注意してください。論文では、それらは「陽子のエネルギー運動量テンソルの行列要素であり、機械的特性をエンコードします。一方、エネルギー運動量テンソルの異常効果は、量子色力学によると、質量の起源の主要な構成要素です.」グルオンと質量の関係を説明するのに役立つ用語であることを、関係者全員が信頼する必要があります. )

あちこち

データが利用可能になったので、研究者が必要としたのは、彼らの発見を陽子内部で起こっていることに関連付けるためのグルオンの挙動のモデルだけでした。 残念なことに、物理学者はいくつかの異なるモデルを作成しました。これもまた、現在のハードウェアでは量子色力学を含むものを直接計算することはほとんど不可能であるためです。 したがって、利用可能なモデルのほとんどは、コンピュータが何か有用なものを生成できるようにする近似を作成する代替方法です。

ほとんどの場合、さまざまな見積もりでかなり似通った答えが得られましたが、J/m 質量の何かに変換するのに十分なエネルギーをほとんど持たないエネルギーの低い光子では状況が少し悪化しました。 ただし、さまざまなアプローチにより、陽子の質量がどこにあるか、したがって陽子の質量半径について大まかな合意が得られます。

この結果の驚くべき点は、陽子の電荷の半径とは異なることです。 電荷の半径を測定するさまざまな方法にはいくつかの違いがありますが (ただし)、その違いは比較的小さいものです。 また、すべての測定では、質量半径から電荷半径が離れています。 電荷はクォークの生成物であるため、これらの粒子は、陽子全体を一緒に保持するのに忙しいグルオンが頻繁に訪れる領域の外側を定期的に周回していることを示しています。

しかし、ジャスティンは、状況がより複雑であるというヒントがあると言いました. J中間子を形成する反応には、スピンが整列したグルオンの交換が必要でした。 スカラー相互作用と呼ばれる反対のスピンを持つグルオンを交換することも可能です。 また、標準半径も異なるというヒントがいくつかあります。

「いくつかの標準半径が表示されることを期待する必要があります」と Justin 氏は言います。 「何か巨大なものが見えます。それははるかに大きく、陽子の周りを回っているこの大きなハローのようです。」

ここでの 1 つの注意点は、Joosten が調査結果は非常に予備的なものであると述べたことです。「これは私たちが発見したものではなく、将来の試験で調査したいものです。」 もう1つは、彼の「巨大」という用語の使用は相対的なものであるということです。 これらはすべて、素粒子内で発生します。

しかし、結果が変わらない場合、陽子には少なくとも 3 つの異なる半径 (電荷、質量、ゲージ) があり、それらはすべて異なる長さであることを示しています。

ここで、自転車の例えが再び意味をなすようになるかもしれません。 結局のところ、自転車の重心がペダルやステアリングが発生する場所と同じ場所にあるとは思わないでしょう。 それは単一の生物ですが、その複合的な性質は、その行動のこれらの異なる側面が必ずしも局所的に共通であるとは限らないことを意味します. 同じことがプロトンにも当てはまるようです。

ネイチャー、2023年。DOI: 10.1038 / s41586-023-05730-4 （DOIについて）。