(Eugene Mymrin/Moment/Getty Images) Wie die kleinsten Matroschka-Puppen im Universum werden Atome typischerweise als Teilchen innerhalb von Teilchen modelliert – Kerne aus Protonen und Neutronen, die wiederum Trios fundamentaler Teilchen, sogenannte Quarks, enthalten.
So praktisch diese einfache Metapher auch sein mag, die Quantenmaschine, die in diesen subatomaren Teilchen arbeitet, ist ein unverständliches Hauptbuch der Quantenökonomie: Quarks und Antiquarks addieren sich und heben sich auf, aber sie gleichen sich nie aus.
Anfang der 1990er Jahre , zerschmetterten Physiker Protonen, um diesem summenden Bienenstock aus Quark-Aktivität einige Zahlen zuzuordnen, stellten jedoch fest, dass das erwartete Gleichgewicht seltsam schief war.
Da die Ergebnisse natürlich viel Raum für Zweifel ließen, war eine nochmalige Überprüfung angebracht.
Nachfolgende Experimente am Fermi National Accelerator Laboratory ( Fermilab ) in den USA deutete darauf hin, dass etwas Seltsames vor sich ging, als der Impuls der Teilchen bis an die Grenze dessen gesteigert wurde, was die Detektoren messen konnten.
Also machten sich Forscher an ein neues Experiment. Der Mix aus alten Detektoren und blinkenden Szintillatoren mit dem Namen SeaQuest wurde entwickelt, um mit größerer Präzision als je zuvor den Quarks auf den Grund zu gehen, die in Protonen herumschwirren.
Es hat 20 Jahre gedauert, bis das Team die Partikel zertrümmert und die Daten durchgesehen hat, aber am Ende haben sie es wirklich bestätigt Ist ein verwirrendes Ungleichgewicht in der Antimaterie in jedem Proton.
Quarks gibt es in verschiedenen Stilrichtungen mit niedlichen Namen wie „up and down“, „top“ und „bottom“, „charm“ und „strange“. Wenn zwei Up-Quarks und ein Bottom-Quark durch die starke Kernkraft zusammenhalten, nennen wir das Trio ein Proton.
Das ist die einfache Erklärung. Die wahre Natur dieses Dreiteilers ist ein schäumendes Durcheinander von Teilzeitpartikeln, die auftauchen und verschwinden wie eine große Anzahl von Seeleuten, die in einem Sturm ertrinken.
Um es noch komplizierter zu machen: Für jeden dieser Quarktypen gibt es ein spiegelbildliches Gegenteil. Ein Antiquark.
Wenn eine Quarkart auf ihr Antiquark-Paar trifft, verschwindet das Paar wieder im Meer und hinterlässt ein virtuelles Flackern eines Photons. Auch dieses Photon verändert sich schnell und sorgt für eine Vielzahl von Teilchen und Antiteilchen, die in einem chaotischen Blitz auftauchen und verschwinden.
„Die Flüchtigkeit der Quark-Antiquark-Paare macht es schwierig, ihre Anwesenheit in den Protonen zu untersuchen, aber in diesem Experiment haben wir die Vernichtungen der Antiquarks entdeckt, was uns Einblicke in die Asymmetrie gab.“ sagt Physiker Paul Reimer vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums.
Da Up- und Down-Quarks nahezu die gleiche Masse haben, gab es nie einen Grund zu der Annahme, dass der brodelnde Quantennebel der Entstehung eines der beiden Antiteilchen-Gegenstücke keine Vorzugsbehandlung einräumen sollte.
Aus der Ferne gleichen sich die Auslöschungen aus und erwecken den Anschein eines stabilen Quark-Tripletts. Zumindest war das die Theorie.
Diese Experimente Anfang der 1990er Jahre zeigten, dass die Realität etwas komplizierter ist, da mehr Antiquarks der Down-Variante auftauchen als die der Up-Variante, was die Physiker mit einer verwirrenden Asymmetrie in ihrer Quantenrechnung zurücklässt.
Eine Erklärung könnte darin liegen, dass sich Protonen kurzzeitig in Neutronen umwandeln können, indem sie eines dieser Quark-Antiquark-Paare namens a aussenden – und dann schnell wieder absorbieren Pion .
Wenn wir uns andererseits ein Proton wie einen Ballon aus Quarks vorstellen, der mit unterschiedlichen Energien umherfliegt, könnten diese Impulse auch etwas darüber aussagen, welche Arten von Quarks auftauchen und verschwinden.
Kurz vor der Jahrtausendwende führten Forscher Experimente zu Quark-Impulsen durch, die einen größeren Spielraum für die Messung und Vorhersage ihrer Eigenschaften boten.
Während die Tests die Grenzen des Geräts ausreizten, sind diese 'NuSea' gegeben schlugen vor, sobald der Impuls des Quarks hoch genug war, dass einige Antiquark-Varianten tatsächlich häufiger vorkommen. Nur dieses Mal waren es die Up-Teiler.
Die Daten von SeaQuest widersprechen diesen Ergebnissen und zeigen, dass unabhängig vom Impuls des Quarks die Down-Antiquarks dominieren, selbst beim höchsten gemessenen Impuls.
Dies sind genau die Art von Daten, die Physiker benötigen, um herauszufinden, welches Modell – wenn überhaupt – die aufgewühlten Eingeweide des Protons erklärt.
„Wir haben immer noch ein unvollständiges Verständnis der Quarks in einem Proton und wie sie die Eigenschaften des Protons hervorrufen“, sagt Reimer.
Wie immer in der Teilchenphysik sind noch viele weitere Informationen erforderlich, bevor die Angelegenheit geklärt werden kann. Diese nuklearen Matroschka-Puppen im Herzen jedes Atoms sind noch nicht so schnell dabei, ihre Geheimnisse preiszugeben.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .