Als je aan boord van de Magic School Bus stapte en begon te krimpen - kleiner dan een mier of een amoebe of een enkele cel, en vervolgens bleef krimpen totdat enkele atomen zo groot waren als hele werelden, en zelfs hun samenstellende deeltjes torenden boven je uit - zou je betreed een wereld die bruist van enorme, tegenstrijdige druk.
In het midden van een proton zou een hogere druk dan in een neutronenster je naar de rand van het deeltje gooien. Maar aan de buitengrenzen van het proton zou een gelijke en tegengestelde kracht je naar het midden van het proton duwen. Onderweg word je gestoten door zijwaarts bewegende schuifkrachten die veel verder gaan dan alles wat iemand ooit in zijn leven zal ervaren.
Een nieuw artikel, gepubliceerd op 22 februari in het tijdschrift Physical Review Letters, biedt de meest complete beschrijving tot nu toe van de concurrerende druk in een proton, niet alleen in termen van zijn quarks - de deeltjes die een proton zijn massa geven - maar zijn gluonen, de massaloze deeltjes die die quarks aan elkaar binden.
Deze borrelende, kokende kwantumtoestand
Simpele beschrijvingen van protonen hebben betrekking op slechts drie quarks die bij elkaar worden gehouden door een stel gluonen. Maar die beschrijvingen zijn onvolledig, zei co-auteur Phiala Shanahan, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Het proton bestaat uit een heleboel gluonen en dan eigenlijk een heleboel quarks", vertelde Shanahan aan WordsSideKick.com. 'Niet slechts drie. Er zijn drie hoofd-quarks en dan een aantal quark-antiquark-paren die verschijnen en verdwijnen ... en het zijn alle gecompliceerde interacties van deze borrelende, kokende kwantumtoestand die de druk opwekken.'
Shanahan en co-auteur William Detmold, die ook natuurkundige is bij MIT, ontdekten dat gluonen ongeveer twee keer zoveel druk produceren als de quarks in een proton, en dat deze druk over een groter gebied wordt verdeeld dan voorheen bekend was. Ze ontdekten dat de totale druk van een proton een piek bereikt van 100 decillion (of 1 met 35 nullen erna) pascals - of ongeveer 260 sextillion (of 26 met 22 nullen erna) maal de druk in het midden van de aarde.
Kritiek is dat die druk in twee verschillende richtingen wijst.
'Er is een gebied met positieve druk, dus er moet ook een gebied zijn met negatieve druk', zei ze. 'Als er slechts een gebied met positieve druk zou zijn, zou het proton blijven expanderen en zou het niet stabiel zijn.'
Een hele grote berekening
Maar hoe groot die druk ook is, wetenschappers kunnen ze onder de meeste omstandigheden niet direct meten. Om het interieur van protonen te onderzoeken, bombarderen wetenschappers ze met nog kleinere elektronen met zeer hoge energieën. Daarbij veranderen ze de protonen. Geen enkel bekend experiment kan onthullen hoe het is in een proton bij de lage energieën die ze gewoonlijk ervaren.
Dus vertrouwen wetenschappers op de theorie van Quantum Chromodynamics (QCD) - die quarks beschrijft en de sterke krachtdragende gluonen die ze aan elkaar binden. Wetenschappers weten dat QCD werkt omdat experimenten met hoge energie de voorspellingen bevestigen, zei Detmold. Maar bij lage energieën moeten ze vertrouwen op wiskunde en berekeningen.
"Helaas is het erg moeilijk om analytisch te studeren, vergelijkingen op te schrijven met pen en papier", zei Shanahan.
In plaats daarvan wenden onderzoekers zich tot supercomputers die duizenden processorcores met elkaar verbinden om ingewikkelde vergelijkingen op te lossen.
Zelfs met twee supercomputers die samenwerkten, duurden de berekeningen ongeveer een jaar, zei ze.
Shanahan en Detmold braken het proton in zijn verschillende dimensies (drie voor ruimte en één voor tijd) om het probleem dat de supercomputers moesten oplossen te vereenvoudigen.
In plaats van een enkel getal, zou de resulterende drukkaart eruit zien als een veld met pijlen, alle verschillende maten en wijzend in verschillende richtingen.
Dus het antwoord op de vraag: "Wat is de druk in een proton?" hangt sterk af van welk deel van het proton je vraagt.
Het hangt ook af van de straal van het proton. Als protonen zakken met gluonen en quarks zijn, groeien en krimpen die zakken, afhankelijk van de andere deeltjes die erop inwerken. Dus de resultaten van Shanahan en Detmold komen niet neer op een enkel getal.
Maar nu zijn onze kaarten van de uitersten van al deze kleine, kokende werelden in ons een stuk levendiger.
