Wenn Sie in den Magic School Bus einsteigen und anfangen würden zu schrumpfen - kleiner als eine Ameise oder eine Amöbe oder eine einzelne Zelle - und dann weiter schrumpfen, bis einzelne Atome so groß wie ganze Welten sind und sogar ihre Bestandteile über Ihnen aufragen - würden Sie Betreten Sie eine Welt voller enormer, widersprüchlicher Belastungen.
In der Mitte eines Protons würde ein Druck, der größer ist als der in einem Neutronenstern, Sie zum Rand des Teilchens schleudern. Aber an den äußeren Grenzen des Protons würde eine gleiche und entgegengesetzte Kraft Sie zum Zentrum des Protons drängen. Auf dem Weg dorthin werden Sie von seitwärts bewegten Scherkräften getroffen, die weit über alles hinausgehen, was eine Person jemals in ihrem Leben erleben wird.
Ein neues Papier, das am 22. Februar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, bietet die bisher vollständigste Beschreibung des konkurrierenden Drucks innerhalb eines Protons, nicht nur in Bezug auf seine Quarks - die Teilchen, die einem Proton seine Masse verleihen - sondern auch in Bezug auf seine Gluonen. die masselosen Teilchen, die diese Quarks zusammenbinden.
Dieser sprudelnde, kochende Quantenzustand
Einfache Beschreibungen von Protonen umfassen nur drei Quarks, die von einem Bündel Gluonen zusammengehalten werden. Diese Beschreibungen sind jedoch unvollständig, sagte die Co-Autorin der Studie, Phiala Shanahan, Physikerin am Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Das Proton besteht aus einem Haufen Gluonen und dann tatsächlich aus einem Haufen Quarks", sagte Shanahan gegenüber Live Science. "Nicht nur drei. Es gibt drei Hauptquarks und dann eine beliebige Anzahl von Quark-Antiquark-Paaren, die erscheinen und verschwinden ... und es sind all die komplizierten Wechselwirkungen dieses sprudelnden, kochenden Quantenzustands, die den Druck erzeugen."
Shanahan und Co-Autor William Detmold, der auch Physiker am MIT ist, stellten fest, dass Gluonen etwa doppelt so viel Druck erzeugen wie die Quarks in einem Proton und dass dieser Druck über einen größeren Bereich verteilt ist als bisher bekannt. Sie fanden heraus, dass der Gesamtdruck eines Protons bei 100 Dezillionen (oder 1 mit 35 Nullen danach) Pascal - oder etwa 260 Sextillionen (oder 26 mit 22 Nullen danach) mal dem Druck im Erdmittelpunkt liegt.
Entscheidend ist, dass dieser Druck in zwei verschiedene Richtungen zeigt.
"Es gibt eine Region mit positivem Druck, also muss es auch eine Region mit negativem Druck geben", sagte sie. "Wenn es nur einen Bereich mit positivem Druck gäbe, würde sich das Proton weiter ausdehnen und es wäre nicht stabil."
Eine sehr große Berechnung
Aber so groß dieser Druck auch ist, Wissenschaftler können ihn unter den meisten Umständen nicht direkt messen. Um das Innere von Protonen zu untersuchen, bombardieren Wissenschaftler sie mit noch winzigeren Elektronen bei sehr hohen Energien. Dabei verändern sie die Protonen. Kein bekanntes Experiment kann zeigen, wie es in einem Proton bei den niedrigen Energien ist, die sie normalerweise erfahren.
Daher verlassen sich Wissenschaftler auf die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD), die Quarks und die starken krafttragenden Gluonen beschreibt, die sie miteinander verbinden. Wissenschaftler wissen, dass QCD funktioniert, weil Hochenergieexperimente seine Vorhersagen bestätigen, sagte Detmold. Aber bei niedrigen Energien müssen sie auf Mathematik und Berechnungen vertrauen.
"Leider ist es sehr schwierig, analytisch zu lernen und Gleichungen mit Stift und Papier aufzuschreiben", sagte Shanahan.
Stattdessen wenden sich die Forscher Supercomputern zu, die Tausende von Prozessorkernen miteinander vernetzen, um komplizierte Gleichungen zu lösen.
Selbst wenn zwei Supercomputer zusammenarbeiten, dauerten die Berechnungen etwa ein Jahr, sagte sie.
Shanahan und Detmold zerlegten das Proton in seine verschiedenen Dimensionen (drei für den Raum und eine für die Zeit), um das Problem zu vereinfachen, das die Supercomputer lösen mussten.
Anstelle einer einzelnen Zahl würde die resultierende Druckkarte wie ein Feld von Pfeilen aussehen, die alle unterschiedlich groß sind und in verschiedene Richtungen zeigen.
Also die Antwort auf die Frage: "Was ist der Druck in einem Proton?" hängt sehr davon ab, nach welchem Teil des Protons Sie fragen.
Es hängt auch vom Radius des Protons ab. Wenn Protonen Säcke mit Gluonen und Quarks sind, wachsen und schrumpfen diese Säcke in Abhängigkeit von den anderen auf sie einwirkenden Partikeln. Die Ergebnisse von Shanahan und Detmold beschränken sich also nicht auf eine einzige Zahl.
Aber jetzt sind unsere Karten der Extreme all dieser winzigen, kochenden Welten in uns viel lebendiger.
