Proton jest trwałą cząstką elementarną z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej wynoszącej ok. 1 u. Zgodnie z modelem standardowym, proton jest zbudowany przez trzy kwarki: dwa kwarki górne u i jeden kwark dolny d związane ze sobą silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony. Protony razem z neutronami tworzą nukleony, czyli elementy jąder atomowych. Liczba protonów w jądrze atomu jest równa jego liczbie atomowej, która jest podstawą porządku pierwiastków w układzie okresowym.
Czytaj też: Wodór i hel dziwnie się zachowują. Naukowcy spojrzeli na ich protony
Struktura protonów ulega licznym deformacjom pod wpływem zewnętrznych pól elektrycznych i magnetycznych, co określamy mianem polaryzowalności. Jest to wielkość fizyczna, która stanowi miarę sztywności wobec deformacji wywołanych przez zewnętrzne pole elektryczne.
Jak zmierzyć sztywność protonu?
Badając proton w konkretnej skali, w której zachodzą interakcje elektromagnetyczne, można z dużą dokładnością wyznaczyć wartości polaryzacji. Fizycy używają teoretycznych ram Efektywnych Teorii Pola (EFT). Obiecują one dopasowanie opisu struktury nukleonów przy niskich energiach do obecnej teorii silnej siły jądrowej, zwanej chromodynamiką kwantową (QCD).
Fizycy z Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych wyznaczyli wartości identyczne z EFT używając protonowego rozpraszania Comptona. Nigdy wcześniej to się nie udało i stanowi ważny krok w fizyce teoretycznej. Potwierdza także, że metody powszechnie stosowane obecnie w ocenie polaryzowalności są poprawne.
Zjawisko Comptona (rozpraszanie komptonowskie) to zjawisko rozpraszania promieniowania X i promieniowania gamma, czyli promieniowania elektromagnetycznego o dużej częstotliwości, na swobodnych lub słabo związanych elektronach. Uczeni rozpraszali kołowo lub liniowo spolaryzowane promienie gamma z próbki zawierającej wodór, a następnie mierzyli ich kątowy rozkład.
W pracy czytamy:
Wysokoenergetyczne promienie gamma przenoszą na tyle silne pola EM, że odpowiedź ładunków i prądów w nukleonie staje się znacząca. W tej pracy naukowcy przeprowadzili nowe pomiary rozpraszania Comptona od protonu w High Intensity Gamma Ray Source (HIGS) w Triangle Universities Nuclear Laboratory. Praca ta dostarczyła nowatorskiego podejścia eksperymentalnego do rozpraszania Comptona na protonie przy niskich energiach przy użyciu spolaryzowanych promieni gamma.
Przeprowadzone eksperymenty potwierdzają konieczność nowych, precyzyjnych pomiarów w celu poprawy dokładności polaryzacji protonów. Więcej można przeczytać w Physical Review Letters.
