Fisikawan nuklir telah menemukan pengaruh gravitasi yang besar pada skala kuantum, mengungkapkan distribusi gaya kuat dalam proton untuk pertama kalinya. Penelitian inovatif ini, menggabungkan wawasan teoritis sejarah dengan data eksperimen modern, menawarkan pemahaman yang belum pernah terjadi sebelumnya mengenai dinamika internal proton dan membuka landasan bagi penemuan masa depan dalam ilmu nuklir.
Fisikawan nuklir di Jefferson Lab telah memetakan distribusi gaya kuat di dalam proton, menggunakan kerangka kerja yang terhubung dengan gravitasi, sehingga membuka jalur baru untuk eksplorasi.
Pengaruh gravitasi jelas terlihat jelas di seluruh alam semesta yang teramati. Dampaknya terlihat pada sinkronisasi orbit bulan di sekitar planet, pada komet yang menyimpang dari jalurnya akibat tarikan gravitasi bintang-bintang besar, dan pada spiral megah galaksi-galaksi raksasa. Fenomena luar biasa ini menyoroti peran gravitasi pada skala materi yang paling besar. Sementara itu, fisikawan nuklir mengungkap kontribusi signifikan gravitasi pada skala materi terkecil.
Penelitian baru yang dilakukan oleh fisikawan nuklir di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson Departemen Energi AS menggunakan metode yang menghubungkan teori gravitasi dengan interaksi antar partikel terkecil suatu materi untuk mengungkap detail baru pada skala yang lebih kecil ini. Penelitian tersebut kini telah mengungkapkan, untuk pertama kalinya, gambaran distribusi gaya kuat di dalam proton. Cuplikan ini merinci tegangan geser yang mungkin diberikan gaya tersebut pada partikel quark yang menyusun proton. Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di Ulasan Fisika Modern.
Wawasan tentang Struktur Proton
Menurut penulis utama studi tersebut, Staf Utama Jefferson Lab, Ilmuwan Volker Burkert, pengukuran tersebut mengungkapkan wawasan tentang lingkungan yang dialami oleh bahan penyusun proton. Proton dibangun dari tiga quark yang terikat bersama oleh gaya yang kuat.
“Pada puncaknya, gaya ini lebih dari empat ton yang harus diterapkan pada quark untuk menariknya keluar dari proton,” jelas Burkert. “Alam, tentu saja, tidak mengizinkan kita memisahkan hanya satu quark dari proton karena sifat quark yang disebut ‘warna’. Ada tiga warna yang mencampurkan quark pada proton sehingga tampak tidak berwarna dari luar, yang merupakan syarat keberadaannya di luar angkasa. Mencoba mengeluarkan quark berwarna dari proton akan menghasilkan pasangan quark/anti-quark yang tidak berwarna, meson, menggunakan energi yang Anda masukkan untuk mencoba memisahkan quark tersebut, meninggalkan proton (atau neutron) yang tidak berwarna. Jadi, 4 ton adalah gambaran kekuatan gaya yang ada pada proton.”
Hasilnya hanyalah sifat mekanik proton kedua yang diukur. Sifat mekanik proton mencakup tekanan internalnya (diukur pada tahun 2018), distribusi massanya (ukuran fisik), momentum sudutnya, dan tegangan gesernya (ditunjukkan di sini). Hasilnya dimungkinkan oleh prediksi berusia setengah abad dan data berusia dua dekade.
Pada pertengahan tahun 1960-an, muncul teori bahwa jika fisikawan nuklir dapat melihat bagaimana gravitasi berinteraksi dengan partikel subatom, seperti proton, maka eksperimen tersebut dapat mengungkap sifat mekanik proton secara langsung.
“Tetapi pada saat itu, tidak mungkin. Jika Anda membandingkan gravitasi dengan gaya elektromagnetik, misalnya, terdapat perbedaan sebesar 39 kali lipat – Jadi, tidak ada harapan lagi, bukan?” jelas Latifa Elouadhriri, staf ilmuwan Jefferson Lab dan rekan penulis penelitian ini.
Landasan Teoritis dan Terobosan Eksperimental
Data berusia puluhan tahun ini berasal dari eksperimen yang dilakukan dengan Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) milik Jefferson Lab, sebuah fasilitas pengguna DOE Office of Science. Eksperimen CEBAF yang khas akan memerlukan interaksi elektron energik dengan partikel lain melalui pertukaran paket energi dan satuan momentum sudut yang disebut virtual. foto dengan partikel tersebut. Energi elektron menentukan partikel mana yang berinteraksi dengannya dan bagaimana responsnya.
Dalam percobaan tersebut, gaya yang jauh lebih besar dari empat ton yang diperlukan untuk menarik keluar pasangan quark/antiquark diterapkan pada proton oleh berkas elektron berenergi tinggi yang berinteraksi dengan proton dalam target gas hidrogen cair.
“Kami mengembangkan program untuk mempelajari hamburan Compton virtual secara mendalam. Di sinilah Anda memiliki elektron yang menukar foton virtual dengan proton. Dan pada keadaan akhir, protonnya tetap sama tetapi mundur, dan Anda menghasilkan satu foton berenergi sangat tinggi, ditambah elektron yang tersebar,” kata Elouadhriri. “Pada saat kami mengambil datanya, kami tidak menyadari bahwa selain pencitraan 3 dimensi yang kami maksudkan dengan data ini, kami juga mengumpulkan data yang diperlukan untuk mengakses sifat mekanik proton.”
Ternyata proses spesifik ini – hamburan Compton virtual mendalam (DVCS) – dapat dikaitkan dengan bagaimana gravitasi berinteraksi dengan materi. Versi umum hubungan ini dinyatakan dalam buku teks teori relativitas umum Einstein tahun 1973 berjudul ‘Gravitasi’ oleh Charles W. Misner, Kip S. Thorne, dan John Archibald Wheeler.
Di dalamnya, mereka menulis, “Setiap medan spin-2 tanpa massa akan menimbulkan gaya yang tidak dapat dibedakan dari gravitasi, karena medan spin-2 tanpa massa akan berpasangan dengan tensor tegangan-energi dengan cara yang sama seperti interaksi gravitasi. .”
Tiga dekade kemudian, ahli teori Maxim Polyakov menindaklanjuti gagasan ini dengan menetapkan landasan teori yang menghubungkan proses DVCS dan interaksi gravitasi.
“Terobosan teori ini membangun hubungan antara pengukuran hamburan Compton yang sangat virtual dengan faktor bentuk gravitasi. Dan kami dapat menggunakannya untuk pertama kalinya dan mengekstraksi tekanan yang kami lakukan di dalam Alam kertas pada tahun 2018, dan sekarang gaya normal dan gaya geser,” jelas Burkert.
Penjelasan lebih rinci tentang hubungan antara proses DVCS dan interaksi gravitasi dapat ditemukan dalam artikel ini yang menjelaskan hasil pertama yang diperoleh dari penelitian ini.
Arah Masa Depan dan Kemajuan Teoritis
Para peneliti mengatakan langkah selanjutnya adalah berupaya mengekstraksi informasi yang mereka perlukan dari data DVCS yang ada untuk memungkinkan penentuan pertama ukuran mekanis proton. Mereka juga berharap dapat memanfaatkan eksperimen yang lebih baru, statistik lebih tinggi, dan energi lebih tinggi yang melanjutkan penelitian DVCS pada proton.
Sementara itu, rekan penulis studi ini kagum dengan banyaknya upaya teoretis baru, yang dirinci dalam ratusan publikasi teoretis, yang mulai memanfaatkan jalur baru ini untuk mengeksplorasi sifat mekanik proton.
“Dan juga, sekarang kita berada di era penemuan baru dengan Rencana Jangka Panjang Ilmu Nuklir 2023 yang dirilis baru-baru ini. Ini akan menjadi pilar utama arah ilmu pengetahuan dengan fasilitas baru dan pengembangan detektor baru. Kami menantikan untuk melihat lebih banyak lagi apa yang bisa dilakukan,” kata Burkert.
Elouadhriri setuju.
“Dan menurut saya, ini hanyalah permulaan dari sesuatu yang lebih besar di masa depan. Ini telah mengubah cara kita berpikir tentang struktur proton,” katanya.
“Sekarang, kita dapat mengekspresikan struktur partikel subnuklir dalam bentuk gaya, tekanan, dan ukuran fisik yang juga dapat dikaitkan dengan non-fisikawan,” tambah Burkert.
Referensi: “Seminar: Faktor bentuk gravitasi proton” oleh VD Burkert, L. Elouadrhiri, FX Girod, C. Lorcé, P. Schweitzer dan PE Shanahan, 22 Desember 2023, Ulasan Fisika Modern.
DOI: 10.1103/RevModPhys.95.041002
Studi ini didanai oleh Departemen Energi AS, National Science Foundation, Carl G. dan Shirley Sontheimer Research Fund.
