كشف قياس جديد للدقة لكيفية تفكك بنية البروتونات في مجال كهربائي عن تفاصيل جديدة حول تغير غير مفسر في بيانات البروتون.
أكد علماء الفيزياء النووية أن الوصف الحالي لبنية البروتون يتضمن بعض المشكلات، إذ كشف قياس جديد لدقة الاستقطاب الكهربائي للبروتون -أُجري في منشأة مسرع الجسيمات الوطنية توماس جيفرسون، التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية- عن وجود شذوذ في البيانات المتوفرة عن بنية البروتون. رغم الاعتقاد بأنها مجرد صدفة عند رؤية القياسات السابقة، فإن القياس الجديد الأدق أكد وجود شذوذ، وبدأ بإثارة الشكوك.
وفقًا لرونان لي، المؤلف الأول للورقة الجديدة، طالب الدراسات العليا في جامعة تمبل، تكشف قياسات الاستقطاب الكهربائي للبروتون تشوه -أو تمدد- البروتون في المجال الكهربائي، إذ إن الاستقطاب الكهربائي للبروتون هو خاصية أساسية من خواصه، مثل حجمه وشحنته.
قد يساعد التحديد الدقيق لاستقطاب البروتون الكهربائي في تحديد الأوصاف المختلفة للبروتون. اعتمادًا على كيفية فحص البروتونات، قد يظهر البروتون بوصفه جسيمًا وحيدًا ضبابيًا، أو جسيمًا مركبًا مكونًا من ثلاثة كواركات متماسكة معًا بواسطة القوة القوية.
قال لي: «نسعى لفهم البنية الداخلية للبروتون، يمكن تخيلها بوصفها نموذجًا يحتوي ثلاثة كواركات متوازنة في المركز. بوضع البروتون في مجال كهربائي، تتحرك الكواركات الموجبة والسالبة في اتجاهين متعاكسين، لذا فإن الاستقطاب الكهربائي للبروتون يعكس مدى سهولة تشوهه بفعل المجال الكهربائي».
لاستكشاف هذا التشوه، استخدم الفيزيائيون عملية تُسمى «انتشار كومبتون الافتراضي». تبدأ بحزمة من الإلكترونات النشطة يُتحكم فيها بعناية في منشأة مسرع الجسيمات التابعة لمختبر جيفرسون، وهي منشأة تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. إذ تُرسل الإلكترونات لتصطدم بالبروتونات.
في انتشار كومبتون الافتراضي، تتفاعل الإلكترونات مع الجسيمات الأخرى بإطلاق فوتون نشط، أو جسيم من الضوء. تحدد طاقة الإلكترون طاقة الفوتون الذي يطلقه، وكيفية تفاعله مع الجسيمات الأخرى.
قد ترتد الفوتونات منخفضة الطاقة عن سطح البروتون، في حين تنفجر الفوتونات النشطة داخل البروتون إذ تتفاعل مع أحد كواركاته. وفقًا للنظرية، فإنه عند تحول تفاعلات الفوتون والكوارك من طاقات أقل إلى طاقات أعلى، ينتج مُنحنى منتظم.
لكن وفقًا لنيكوس سبارفيريس، الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة تمبل، فإن القياسات كشفت عن شذوذ لم يُفسر بعد.
«تُلاحظ بعض الزيادة في حجم الاستقطاب، وكما هو متوقع، تقل قابلية الاستقطاب مع زيادة الطاقة، لكنها في مرحلة ما ترتفع مؤقتًا مرةً أخرى قبل أن تنخفض مجددًا. بناءً على فهمنا النظري الحالي، يجب أن يتبع البروتون سلوكًا بسيطًا للغاية، لكننا نلاحظ شذوذًا عن هذا السلوك البسيط، هذا هو الشيء المحير حاليًا».
تتوقع النظرية أن الإلكترونات الأنشط تسبر القوة الشديدة مباشرةً، إذ تربط الكواركات معًا لتكوين البروتون. هذا الارتفاع الغريب في الصلابة الذي أكد علماء الفيزياء النووية وجوده في كواركات البروتون، يشير إلى وجود شكل غير معروف من القوة القوية.
وفقًا لسبارفيريس فإن شيئًا ما مفقود بوضوح في هذه المرحلة. البروتون هو لبنة البناء الوحيدة المستقرة في الطبيعة، لذلك إذا فقدنا شيئًا أساسيًا هنا، فسيكون له أثر في كل الفيزياء.
قال الباحثون إن الخطوة التالية هي استخلاص المزيد من التفاصيل عن هذا الشذوذ، وإجراء فحوص دقيقة للتحقق من نقاط الانحراف الأخرى، وتقديم مزيد من المعلومات حول مصدر الشذوذ.
قال لي: «نريد قياس المزيد من النقاط في مختلف الطاقات لتقديم صورة أوضح، ومعرفة: هل يوجد أي هيكل آخر هناك؟ نحتاج أيضًا إلى قياس شكل هذا التغير بدقة. الشكل مهم لمزيد من التوضيح».
اقرأ أيضًا:
ربما يحتوي البروتون جسيمًا أصغر وأثقل منه!
ترجمة: نور حاتم
تدقيق: منال توفيق الضللي
