|
|
Πως το πρωτόνιο απόκτησε το σπιν τουΑπό το περιοδικό Physical Review Letters, Αύγουστος 2003 |
|
Μέσα στα πρωτόνια υπάρχουν τα κουάρκ. Τα κουάρκ δεν μπορούν να αποκαλυφθούν απευθείας πειραματικά, αλλά η συμπεριφορά αυτών των εσωτερικών συστατικών επηρεάζει τις ιδιότητες των πρωτονίων. Η σύνδεση όμως των ιδιοτήτων των κουάρκ με τη συμπεριφορά του πρωτονίου δεν είναι εύκολη υπόθεση. Μια θεωρητική εργασία στο περιοδικό Physical Review Letters της 8ης Αυγούστου 2003 φωτίζει το εσωτερικό του πρωτονίου δίνοντας στις μαθηματικές ιδιότητες των κουάρκ μια οπτική παραστατική εικόνα. Οι εικόνες αυτές μας δίνουν μια εύληπτη εικονογραφημένη και λεπτομερή εξήγηση πως συμβάλλει η εσωτερική δυναμική στην απόκτηση του σπιν του πρωτονίου. Όταν η ιδέα των κουάρκ έκανε την εμφάνισή της τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί υπέθεσαν ότι τα τρία κουάρκ εντός του πρωτονίου, κινούνταν το καθένα με σφαιρική συμμετρία, δημιουργώντας ένα αντικείμενο το οποίο κατά κάποιον τρόπο μοιάζει με μια μικρή σφαίρα. Σύμφωνα με την άποψη αυτή το παρατηρούμενο σπιν του πρωτονίου προκύπτει απλά από τα εσωτερικά σπιν των κουάρκ. Στο τέλος της δεκαετίας του 1980 όμως, η πειραματική πρόοδος άρχισε να δείχνει ότι μεγάλο μέρος από το σπιν του πρωτονίου προκύπτει μάλλον από τη λεγόμενη τροχιακή κίνηση του καθενός από τα κουάρκ ως προς τα άλλα, παρά από τα εσωτερικά σπιν των κουάρκ. Επιπλέον έγινε φανερό ότι τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, και άλλα σωματίδια, συνεχώς εμφανίζονται και εξαφανίζονται εντός του πρωτονίου, επηρεάζοντας τα χαρακτηριστικά του πρωτονίου. Το 1996, ο Xiangdong Ji του πανεπιστημίου του Maryland εισήγαγε ένα μαθηματικό εργαλείο που το ονόμασε Γενικευμένη Κατανομή Παρτονίων (GPD) και το χρησιμοποίησε για να συσχετίσει τα πειραματικά δεδομένα με τους σχηματισμούς των σωματιδίων εντός του πρωτονίου. Η GPD όμως όπως λέει ο ίδιος είναι αφηρημένη και δύσκολα γίνεται κατανοητή με τη διαίσθησή μας. Σαν εργαλείο για να εξερευνήσουμε τη δημιουργία του σπιν του πρωτονίου, προσθέτει ο ίδιος, μοιάζει να είναι πολύ περισσότερο περίπλοκη απ' όσο χρειάζεται πραγματικά.  Η απεικόνιση των κουάρκ. Μια νέα θεωρητική ανάλυση μας δίνει εικόνες των πιο πιθανών θέσεων των κουάρκ εντός του πρωτονίου, με κάποια καθορισμένη τιμή για την ορμή τους. Εδώ τα κουάρκ, με μικρές ορμές στην κατακόρυφη διεύθυνση καταλαμβάνουν μια περιοχή με μορφή διπλού κώνου. Για να κατανοήσουμε την νέα τεχνική του Ji προς απεικόνιση της εσωτερικής δομής του πρωτονίου, ας θυμηθούμε τη συμπεριφορά των κβαντικών σωματιδίων. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο στο άτομο του υδρογόνου, παριστάνεται συχνά με την εικόνα ενός ηλεκτρονικού νέφους. Τα τροχιακά-p σχήματος λοβών δείχνουν που είναι πιθανό να συναντήσουμε το ηλεκτρόνιο αν το άτομο βρεθεί σε μια κατάσταση p. Παρόμοια τα κουάρκ εντός του πρωτονίου είναι κβαντικά σωματίδια που καταλαμβάνουν κάποιον όγκο στο χώρο, παρά μια ειδική συγκεκριμένη θέση. Βάσει δε της αρχής της αβεβαιότητας, η ορμή ενός κουάρκ είναι μάλλον ακαθόριστη. Το τελευταίο τρικ του Ji μετατρέπει τις μαθηματικές μορφές των GPD σε εικόνες που μοιάζουν σαν τα διαγράμματα των τροχιακών στο άτομο του υδρογόνου. Ο ίδιος αποκαλεί αυτή τη μέθοδο "φίλτρο χρώματος", διότι επιλέγει μόνο την κίνηση των κουάρκ που αντιστοιχεί σε μια καθορισμένη ορμή, όπως ένα φίλτρο φωτός σε μια φωτογραφική μηχανή μας εμφανίζει μια εικόνα με συγκεκριμένο μόνο χρώμα. Για να καταλάβουμε αυτό το φίλτρο, ας σκεφτούμε αυτοκίνητα που κινούνται εισερχόμενα και εξερχόμενα από μια πόλη σε ώρα αιχμής. Αν κοιτάξουμε όλα τα αυτοκλίνητα συγχρόνως θα δούμε μια μάλλον ομοιόμορφη εικόνα, αλλά αν κοιτάξουμε μόνο τα οχήματα που κινούνται με 30 χλμ./ώρα π.χ. κάποιοι ξεχωριστοί δρόμοι θα εμφανίζονται κενοί. Καθεμιά παράσταση από τα φίλτρα του Ji μας δίνει μια εικόνα των πιο πιθανών θέσεων των κουάρκ αν κάποιος εστιάσει μόνο σε μια συγκεκριμένη ορμή. Οι εικόνες δείχνουν ότι τα κουάρκ με κάποια ιδιαίτερη ορμή δεν καταλαμβάνουν αναγκαστικά μια σφαιρικά συμμετρική περιοχή. Προσθέτοντας τις εικόνες από όλες τις ορμές των κουάρκ προκύπτει μια ακριβής σφαιρική κατανομή. Αλλά τα μη σφαιρικά σχήματα μερικών εικόνων, δείχνουν ότι η κίνηση των κουάρκ δεν είναι εντελώς τυχαία, αλλά εξαρτάται από τη θέση. Γενικά, λέει ο Ji, μια τέτοια σύνδεση μεταξύ της ορμής και της θέσης των κουάρκ, δείχνει μια συνολική κίνηση των κουάρκ το ένα γύρω από το άλλο. Η κίνηση αυτή εμφανίζεται σε μας ως σπιν του πρωτονίου. Η τελευταία εργασία του Ji είναι "ένα πραγματικό βήμα προς τα εμπρός" λέει ο Tim Londergan από το πανεπιστήμιο της Indiana στο Bloomington. Δίνοντάς μας μια άμεση ιδέα της θέσης των κουάρκ, λέει ο ίδιος, οι μέθοδοι του Ji μπορούν να μας δώσουν τη φυσική σημασία μαθηματικών εννοιών που δεν είναι εύκολο να ερμηνευτούν. Αναφορά: |