Dans un dispositif d'accélérateur faisceau d'électrons continu (CEBAF) dispositif accélérateur national Thomas Jefferson, un faisceau d'électrons est formé des grappes. (Photographie: Floto + Warner)
la masse des protons et les neutrons et de spin viennent? Étonnamment, nous ne savons pas la réponse. Et les neutrons ont Protons une structure interne - les quarks, mais comment les quarks composent les protons? Selon la mécanique quantique, le proton non par un simple quark trois ensemble, mais pot « soupe de particules. » Maintenant, les scientifiques ont besoin d'utiliser une collision e-proton et Snoop sur ce qui est dans ce pot de soupe dans le oui de fin.
Auteur | Abu · selon Deshpande (Abhay Deshpande),
Yoshida Lutai Lang (Rikutaro Yoshida)
Traduction | Wang Rong
Revue | Chen Xurong
Les scientifiques estiment que l'univers observable en présence d'environ 1053 kg de matière ordinaire, dont la plupart sont des protons et des neutrons, le nombre total d'environ 1080. Les deux de ces particules avec l'électron atomique est composé. Mais la masse du proton et du neutron viennent de lui?
La réponse est simple. Et neutrons par Protons la Quark Et joue le rôle de lien gluon Composants. Les gluons sont massless, tandis que les protons et les neutrons (collectivement appelés nucléons) interne 2% de la somme de toutes les masses de quark est inférieure à la masse totale du nucléon . Puis le reste de la qualité viennent?
La qualité est pas le seul mystère corps nucléaire. Ils tournent déroutantes même - spin quark nucléon ne suffit pas à expliquer l'ensemble de spin nucléaire. Les scientifiques croient maintenant que Spin, de masse et d'autres propriétés des noyaux proviennent d'interactions complexes entre les quarks et les gluons à l'intérieur, mais ils ne savent pas le mécanisme exact d'entre eux. Les scientifiques ne peuvent comprendre tant par la théorie, parce que l'interaction entre les quarks et les gluons appelé à partir d'un QCD (QCD) domine la théorie, extrêmement difficile de calculer cette théorie.
Pour plus répondre à ces questions, nous avons besoin de nouvelles données expérimentales. Par conséquent, Collider électronique Ion (EIC) idée a vu le jour. Autre atome « broyeur », tels que les grands collisionneur de hadrons CERN ou U.S. Collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), l'impact est telle que les particules composites et des ions de protons, et ils sont différents EIC, impact électronique avec des protons et des neutrons. Aucune structure électronique interne, il peut agir comme un microscope, ce qui permet aux scientifiques de voir la situation de ces particules composites à l'intérieur.
EIC est l'un des projets les plus prioritaires de la communauté scientifique nucléaire américaine actuellement, il a deux adresses candidats, l'un est situé à Long Island Brookhaven National Laboratory, et l'autre est situé à Newport Nouvelles, en Virginie, Thomas Jefferson dispositif d'accélérateur national (Jefferson Lab). Si elle est approuvée, le CPN peut commencer à recueillir des données en 2030.
Cette collisionneur en mesure de répondre à une question clé: l'énergie d'un seul quark et gluons spin et la qualité de la façon dont ils se déplacent ensemble collectivement pour créer un spin et la masse du proton et du neutron sont? EIC peut répondre à de nombreuses autres questions, comme les quarks et les gluons sont ensemble ou dispersés à l'intérieur du noyau? À quelle vitesse la vitesse de leur mouvement? Nucléaire combinés ensemble dans le noyau, ces interactions jouent ce rôle? Les résultats de mesure sur l'EIC fournira beaucoup d'informations nouvelles pour nous aider à reconnaître la façon dont les constituants de base entrent en interaction matière, et finalement, la formation de l'univers visible. 50 ans après la découverte des quarks, nous un pas déverrouiller loin enfin le mystère de son corps.
Color Kinetics difficile de calculer
Les scientifiques clairement comment l'objet est construit à partir d'atomes, mais aussi savoir comment la nature de l'objet est par sa décision interne atomique caractéristique. Alors, pourquoi nous ne comprenons pas comment les quarks et les gluons sont composées de nucléons il? Tout d'abord, la taille du nucléon, un dans un million d'atomes, donc il n'y a pas de méthode simple peut être utilisé pour les étudier. De plus, la nature des quarks et des noyaux dérivés du comportement collectif des gluons. En fait, ils sont « émergence » (émergence) sur le phénomène que de nombreuses interactions complexes de particules en montrant l'effet global de ces interactions sont trop complexes, nous ne sommes toujours pas pleinement compris.
Ces interactions sont décrites théories de la chromodynamique quantique (QCD), qui a été développé dans les années 1960 et début des années 1970. QCD fait partie du « modèle standard », la force électromagnétique entre les particules chargées comme le photon porte le même, QCD nous dire, La force forte nucléaire liés par gluons carry . la force forte selon "la charge" est appelée "charge de couleur" (théorie donc appelée "Color Kinetics"). Quarks portent une charge de couleur, et interagit avec d'autres quarks en échangeant des gluons. Cependant, les photons électromagnétiques en soi différents non chargées gluons portent charge de couleur elle-même. Ainsi, par interaction d'échange gluon gomme plus plastique avec d'autres sous-sous. Les propriétés uniques de grande importance gluons, boucle de rétroaction Interaction QCD est la théorie de la cause souvent parce qu'il est trop complexe pour être calculé.
Un autre point les autres théories QCD nous savons différents: Quand les quarks proches les uns des autres, la force forte, mais deviennent faibles. (En électromagnétisme, vice-versa.) Lorsque la distance est assez faible entre les quarks à l'intérieur du nucléon, quark résister à la force est si faible qu'ils semblent être libres. Physicien David Gross (David Gross), David Politzer (David Politzer) et Frank Wilczek (Frank Wilczek) en raison de la découverte de cette étrange théorie QCD conclusion et a remporté le Nobel 2004 prix en physique. Lorsque la distance entre quarks devient plus grande, la force entre les augmente rapidement, puissant pour le quark finale « confinement » dans le noyau - c'est ce que vous ne trouverez jamais un quark proton ou d'un neutron ou à l'extérieur les gluons raison.
Afin de mieux comprendre la force forte au niveau quantique, nous avons besoin de plus d'informations. Par exemple, nous pouvons maîtriser le monde des atomes, non seulement à cause de notre compréhension de l'interaction entre les atomes, en plus de ces composants de base dans l'émergence d'un phénomène, nous avons aussi une bonne connaissance. Atomique et électromagnétisme est le fondement de la biologie moléculaire, mais nous ne pouvons pas simplement en fonction de ces connaissances pour construire la biologie moléculaire. La percée clé est que les chercheurs ont découvert la structure en double hélice de l'ADN. Pour quark - progrès gluon sur la compréhension, nous devons faire est d'observer l'intérieur du noyau.
Peep à l'intérieur des expériences nucléaires
Au début du 20e siècle, les physiciens découverts par diffraction des rayons X « voir » les atomes de la méthode. Irradier l'échantillon avec un faisceau de rayons X, et ensuite étudier le motif d'interférence généré lors de leur passage à travers un matériau, les scientifiques de la structure en treillis voir atomes. Ce type de technologie est que les raisons du succès, les rayons X et diamètres atomiques près de la longueur d'onde, de sorte que nous avons la capacité de détecter le niveau atomique à l'échelle nanométrique. De la même manière, pour les premiers physiciens du temps « voir » dans les expériences de collision e-proton il y a 50 ans, les quarks, le processus de collision est appelé diffusion inélastique profonde (DIS).
Dans ce procédé, les électrons du proton (ou les noyaux de neutrons) et le dos de rebond supérieure d'un échange de protons photon virtuel . photon virtuel est pas tout à fait vrai - selon la mécanique quantique, les interactions de particules dominent, ils apparaissent hors de l'air, puis disparaissent immédiatement. En mesurant soigneusement l'angle auquel l'énergie des électrons et rebond, nous pouvons obtenir les informations que l'objet qu'il frappe.
DIS expérience, la longueur d'onde du photon virtuel est de l'ordre de femto (10-15 mètres), correspondant au diamètre de la dimension du proton. Plus l'énergie du processus de collision, l'échange de courte longueur d'onde du photon virtuel et La plus courte longueur d'onde, plus la « sonde », le positionnement plus précis . Si la longueur d'onde est assez courte, les électrons rebondissent sensiblement d'un protons de quarks ou gluons à l'intérieur (au lieu de rebond de la totalité du proton), qui peut regarder à l'intérieur de la configuration du proton.
DIS est la première expérience au Stanford Linear Accelerator Center (maintenant connu sous le nom de laboratoire SLAC National Accelerator) a mené l'expérience fournit la première preuve pour justifier l'existence de quarks, le chef d'expérience a reçu une promesse en 1990-1968 Prix Nobel de physique. Des expériences similaires ont trouvé des protons et des neutrons libres de ce quarks à l'intérieur des protons, des neutrons à l'intérieur quark, de nature très différente. En outre, il a été trouvé, Spin des protons et des neutrons ne sont pas configurés leurs tours de quark. Le fait que les scientifiques par surprise, comme cela a été à l'origine trouvé sur le proton, on l'appelle " crise de spin Proton ".
Le premier collisionneur DIS (par exemple, les électrons et les protons ont été accélérés avant le crash de la machine) est un électron allemand centre de recherche synchrotron (DESY) en hadrons - accélérateur de bague électronique (HERA). Le collisionneur a été en cours d'exécution 1992-2007. expériences HERA ont montré que les protons et les neutrons ne sont pas comme nous avions l'habitude de penser que, juste une simple combinaison de trois quarks ensemble. En fait, ils sont « soupe de particules » one-pot A l'intérieur il y a un grand nombre de quarks et de gluons apparaissent et disparaissent . HERA améliorer considérablement notre compréhension de la structure nucléaire, mais ne peut pas résoudre la « crise de spin ». De plus, puisqu'il n'y a pas de noyau de ce faisceau d'accélérateur, de sorte qu'il ne peut pas étudier le comportement des noyaux atomiques de quarks et de gluons.
En observant le comportement des particules dans cette échelle est très complexe, surtout parce qu'il ya des mécanique quantique grotesque lui-même. Le quantum des particules subatomiques que le brouillard de probabilité décrits: ils ne sont pas à un moment donné et le lieu, la présence d'un état fixe. Au contraire, nous devrions être compris quark: ils existent dans un nombre infini d'états quantiques. De plus, nous devons considérer le phénomène d'enchevêtrement dans la mécanique quantique. L'intrication quantique possible d'observer les processus physiques des ensembles à l'échelle du noyau atomique un obstacle fondamental, parce que nous voulons observer quarks et les gluons et nous avons la chance d'observer leur sonde dans l'état intriqué - dans des expériences DIS, la sonde est utilisée photons virtuels. Quand nos observations dépend de la façon dont nous allons détecter quand vous voulez définir ce que nous appelons la structure nucléaire est ce qui semble être impossible.
Heureusement, les années 1970, la théorie QCD a fait des progrès suffisants pour permettre aux scientifiques de reconnaître la sonde des expériences de DIS et la cible pourrait être séparée - une condition connue sous le nom factorisation . A l'énergie suffisamment élevée, les scientifiques Entanglement effet pratiquement négligeable dans certains cas - dans la structure des protons suffisants pour décrire les conditions unidimensionnels. Cela signifie qu'ils peuvent être tout de la contribution du quark par des expériences DIS mesure de la probabilité d'une proportion déterminée de l'impulsion (impulsion de protons longitudinal dans la direction vers l'avant) pour l'ensemble du proton.
récents développements théoriques permettent de décrire plus en détail la structure interne du nucléon, ne se limite plus à une unidimensionnelle - non seulement les quarks et les gluons contribuent comment l'élan vertical important pour le nucléaire tout entier, il y a d'un côté à l'autre dans le noyau mouvement latéral.
Mais de réels progrès apparaîtra avec l'arrivée du CPN.
Collider électronique Ion
EIC fera une carte en trois dimensions dans le noyau . Nous espérons pouvoir utiliser cette collisionneur de mesure de position de quarks et de gluons et dynamique, ainsi que la contribution des quarks et des gluons et la qualité globale du spin du nucléon.
Par rapport à l'expérience précédente DIS, la clé du progrès est le CPN luminosité : Par exemple, Il est le nombre de particules par minute que la HERA collision de 100 à 1000 fois. En outre, l'énergie du faisceau plus élevée collision EIC, le proton est juste suffisante pour distinguer la longueur d'un diamètre de quelques pour cent, nous pouvons étudier le proton mallette de transport où il y a beaucoup de quark et gluons environ 0,01% longitudinale dynamique du proton. EIC nous permettent également de contrôler la rotation du faisceau de particules dans la direction, afin que nous puissions étudier comment les protons de spin générés à partir de l'interaction QCD de quark et gluons. EIC dans la mesure cadre théorique contemporaine, on peut même construire une véritable image de protons 3D avec quark et gluons représenté.
Les mesures nous permettent d'obtenir le premier vrai EIC protons photos 3D. (Source: Brookhaven National Laboratory)
Nous avons beaucoup de questions à aller explorer. Par exemple, les particules de composants internes sont uniformément dispersées à l'intérieur de protons, ou ensemble? Y at-il des composants contribuent à la masse du proton et de spin plus que les autres composants? Comment jouer le rôle lorsque les quarks et les gluons en protons et neutrons combinés en un noyau? installations de laboratoire existantes commencent à peine à explorer ces défis à l'échelle fly mètres, et le CPN est le premier groupe, on trouve une machine de réponse complète.
Nous doutons il y a une grande compréhension de la structure nucléaire: Qu'est-ce qui se passe lorsque nous utilisons une sonde très fine sur une très petite échelle chute minuit vérification. Dans ce cas, quelque chose d'étrange se produira. la théorie QCD prédit que vous détectez dans l'énergie plus élevée, les gluons plus trouvés. Quarks rayonnent gluons, et les gluons suivant rayonneront plus gluons, conduisant à une réaction en chaîne. Curieusement, au lieu de mesurer le comportement qui a conduit à un rayonnement gluon, mais la nature grotesque de la mécanique quantique elle-même. La mécanique quantique nous dit que lorsque vous obtenez une observation plus attentive, voir à l'intérieur du proton est pas le même - gluon deviennent plus nombreux.
Mais nous savons que cela ne peut pas être la réponse complète, car cela signifie qu'une augmentation illimitée en matière - en d'autres termes, assez proche si vous observez les atomes aurait un nombre infini de gluons. Y compris HERA, y compris avant le collisionneur ont vu des signes que Gluon il y a un état « saturé » . Dans cet état, le proton ne peut pas accueillir plus de gluons, gluons commencent à fusionner une partie de ce qui a compensé l'augmentation. Mais les physiciens ont jamais détecté état sûrement la saturation, et il semble que nous ne savons pas le seuil requis. Certains calculs montrent qu'un gel est sous-saturé nouveau FORMÉ état de la matière: propriétés extraordinaires " verre coloré Matière Condensée . « Par exemple, la densité d'énergie de gluons peut atteindre 50 à 100 fois la densité d'énergie d'une étoile à neutrons. Pour la densité de gluons pour obtenir la valeur la plus élevée possible, le CPN utilisera la substitution protons des noyaux lourds, pour détecter et étudier attentivement ce phénomène fascinant .
La construction de deux programmes du CPN
La construction du nouveau programme de collisionneur de gagner la communauté scientifique nucléaire des États-Unis une fois (2015) appuient fermement les récentes réunions de planification à long terme, a également été approuvé par le Département américain de l'énergie. Département américain de l'énergie en 2017 a demandé à la science des États-Unis, d'ingénierie et de médecine (NAS) de procéder à une évaluation indépendante du CPN. En Juillet 2018, comité NAS a conclu que le projet EIC est la base nécessaire et en temps opportun.
La construction de la machine, il y a deux façons possibles. La première consiste à améliorer RHIC de Brookhaven. Le plan appelé eRHIC, augmentera un faisceau d'électrons existant dans le tunnel de l'accélérateur RHIC, et laisser le faisceau d'électrons dans deux endroits différents avec un faisceau d'ions classique collisions RHIC.
Un autre mode de réalisation du faisceau d'électrons est un accélérateur de faisceau d'électrons continu appareil de laboratoire utilisé Jefferson (CEBAF). Le plan est appelé le CPN Laboratory Jefferson (JLEIC), CEBAF le faisceau d'électrons est dirigé à côté d'un nouveau droit de tunnel de collision.
Lorsque le faisceau d'électrons en accélérant le conduit annulaire CEBAF, ces dipole magnétique bleu est chargé de contrôler la direction de déplacement du faisceau d'électrons.
Les deux appareils peuvent faire notre compréhension de la théorie QCD était un grand bond en avant, et enfin donner un modèle visuel de l'intérieur du noyau et le noyau. Les deux peuvent également permettre aux scientifiques de traiter les questions liées aux spins nucléaires et d'autres propriétés de qualité sont nous assaillent encore. Et que tout un dispositif a la capacité d'influer sur tous les types de noyaux, contenir de l'or, le plomb et l'uranium et d'autres noyaux lourds, afin que nous puissions étudier quand nucléons à l'intérieur du noyau plus où la distribution des quarks et des gluons ce qui va changer. Par exemple, nous voulons savoir si certains des gluons commencent à se chevaucher et deux protons différents « part. »
nanotechnologie Fly?
Au 21e siècle, la taille d'un atome est un facteur limitant dans notre technologie. En l'absence d'une percée majeure, le 10 nanomètre (environ 100 fois le diamètre atomique) peut être la taille des appareils électroniques plus petits que nous pouvons construire, ce qui suggère que la puissance de l'informatique traditionnelle est peu susceptible de maintenir le rythme de progression au cours des 50 dernières années.
Cependant, l'ampleur de sa structure interne du nucléon et un million de fois plus petit que cela. Contrôler le monde microscopique de la force forte 60 fois plus forte que l'utilisation de la force électromagnétique des appareils électroniques d'aujourd'hui - en fait, il est la force la plus puissante dans l'univers. Est-il possible de créer manipuler quarks et de gluons « voler la nanotechnologie »? Dans une certaine mesure, cette technologie que la nanotechnologie actuelle forte d'un million de fois. Bien sûr, ce rêve est une spéculation sur l'avenir lointain. Mais pour y parvenir, il faut d'abord avoir une compréhension profonde de quarks et de gluons dans le monde quantique.
Afin de maximiser la compréhension de la théorie QCD, nous avons besoin de plus de données, monde dispositif expérimental en cours de planification, seul le CPN peut fournir ces données. Mais la construction du CPN n'est pas sans défis. Le programme doit fournir une luminosité élevée, hautement concentré faisceau électronique, un faisceau de protons et d'autres noyaux de faisceau, et ce faisceau pour réaliser une large gamme d'énergie, obtenant ainsi un rapport pour chaque minute collisionneur HERA de 100 à 1000 fois le cas de la collision. L'étude fournit également une orientation de rotation de spin nécessite que la machine à faisceau de particules très uniforme, et l'orientation de rotation peuvent être réglés et manipulés. Pour résoudre ces problèmes ont besoin d'innover, mais ces innovations devraient changer la science de l'accélérateur, la physique nucléaire qui bénéficieront non seulement, mais aussi faire de la médecine des avantages, la science des matériaux et la physique des particules.
Auteur:
· Abu selon Deshpande est professeur de physique à l'Université d'État de New York à Stony Brook, Brookhaven National Laboratory collisionneur d'ions électronique futur directeur scientifique (CPN).
Source: Global Science
