Физики использовали суперкомпьютеры для сопоставления давлений, скрывающихся внутри протонов
Если бы вы сжались и вошли в протон, то испытали бы одно из самых сильных давлений, существующих во вселенной.
Если бы вы начали уменьшаться — стали меньше муравья, амёбы или отдельной клетки, а затем продолжали уменьшаться, пока атомы не стали для вас такими же большими, как целые миры, — то вы бы вошли в мир с противоречивым давлением.
В центре протона давление, превышающее давление внутри нейтронной звезды, отбросит вас к краю частицы. Но на внешних границах протона равная и противоположная сила подтолкнёт вас к центру протона. По пути вы столкнётесь с движущимися поперечными сдвигающими силами, которые намного превосходят всё, что любой человек когда-либо испытывает в своей жизни.
Статья от 22 февраля 2019 года в журнале Physical Review Letters, даёт наиболее полное описание конкурирующих давлений внутри протона, причём не только с точки зрения его кварков — частиц, которые дают протону его массу — но и его глюонов, безмассовых частиц, которые связывают кварки вместе.
Это кипящее квантовое состояние
Простые описания протонов включают в себя всего три кварка, скреплённых кучей глюонов. Но эти описания являются неполными, говорит Фиала Шанахан, физик из Массачусетского технологического института (MIT).
«Протон состоит из группы глюонов, а затем фактически из группы кварков. Есть три главных кварка, а затем любое количество пар кварк-антикварк, которые появляются и исчезают … и все сложные взаимодействия этого кипящего квантового состояния создают давление».
Шанахан и Уильям Детмольд обнаружили, что глюоны создают примерно в два раза больше давления, чем кварки внутри протона, и что это давление распределяется по более широкой области, чем ранее было известно. Они обнаружили, что общее давление протона достигает пика в 100 дециллионов (или 1 с 35 нулями после него), или около 260 секстиллионов (или 26 с 22 нулями после него), умноженных на давление в центре Земли.
Важно то, что давление идёт в двух разных направлениях.
«Существует область положительного [внешнего] давления и область отрицательного [внутреннего] давления. Если бы существовала только область положительного давления, протон продолжал бы расширяться, и он не был бы стабильным».
Но как бы ни были велики эти нагрузки, учёные не могут напрямую измерить их. Чтобы исследовать внутренности протонов, учёные бомбардируют их электронами ещё меньшего размера при очень высоких энергиях. В процессе они меняют протоны. Ни один известный эксперимент не может выявить, что это такое внутри протона при низких энергиях, которые они обычно испытывают.
Поэтому учёные полагаются на теорию квантовой хромодинамики (КХД), которая описывает кварки и глюоны, несущие силу, которая связывает их вместе. Ученые знают, что КХД работает, потому что эксперименты с высокой энергией подтверждают это. Но при низких энергиях учёные доверяются математике и вычислениям.
«К сожалению, КХД очень трудно изучать аналитически, записывая уравнения ручкой на бумаге», — сказал Шанахан.
Вместо этого исследователи обращаются к суперкомпьютерам, объединяя тысячи ядер процессоров для решения сложных уравнений.
Но даже у двух совместно работающих суперкомпьютеров расчёты заняли около года.
Шанахан и Детмольд разбили протон на его различные измерения (три для пространства и один для времени), чтобы упростить задачу суперкомпьютерам.
Полученная в результате карта давления выглядит как поле стрелок всех размеров и указывающих в разных направлениях.
Итак, ответ на вопрос: «Какое давление внутри протона?» зависит от того, о какой части протона вы спрашиваете. А также зависит от радиуса протона. Если протоны представляют собой мешки с глюонами и кварками, эти мешки растут и сжимаются в зависимости от других частиц, действующих на них. Таким образом, результаты не сводятся к одному числу.
Но теперь наши карты крайностей всех этих крошечных, кипящих миров внутри нас стали намного более яркими.
