Protoi baten barruan dagoen energia, indarra eta presioen banaketa erakutsi dute, lehen aldiz, argia erabiliz grabitatea imitatzen duten esperimentu batzuk. Luzaroan egon dira emaitza horien zain.
Protoia planeta subatomiko bat balitz bezala esploratzen hasi dira fisikariak. Ebakidura-planoetan partikulen barrualdeko xehetasun berriak ikusten dira. Protoiaren nukleoan, ezagutzen den beste edozein materia-formatan baino handiagoak dira presioak. Gainazalerantz goazela, erdibidean, elkar jotzen duten indar-zurrunbiloak daude. Eta “planeta” hori, bere osotasunean, aurreko esperimentuek iradokitzen zutena baino txikiagoa da.
Ikerketa esperimentalak izango dira hurrengo etapa protoia ulertzea lortzeko, atomoa ainguratu eta gure munduaren zatirik handiena osatzen duen partikula hori hobeto ezagutzeko, hain zuzen.
“Uste dugu bide guztiz berri bat ireki dela, eta materiaren funtsezko egiturari buruz dugun ikuskera aldatu egingo dela”, esan zuen Newport Newseko (Virginia) Thomas Jefferson National Accelerator Facility-ko (Jefferson Lab) Latifa Elouadrhiri fisikari eta ikerketako parte-hartzaileetako batek.
Esperimentuek argi berria eman diote, literalki, protoiari. Hamarkadatan, ikertzaileek zehatz-mehatz kartografiatu dute karga positiboa duen partikula horren eragin elektromagnetikoa. Baina ikerketa berrienetan, Jefferson Labeko fisikariak protoiaren grabitazio-eragina kartografiatzen ari dira, hau da, partikula barruko eta inguruko espazio-denbora egitura tolesten duten energien, presioen eta zizaila-esfortzuen banaketa kartografiatzen. Hori lortzeko, ikertzaileak prozesu berezi bat erabiltzen ari dira, non fotoi pareek (argi partikulek) grabitoia imita dezaketen. Grabitoia, hipotesien arabera, grabitatearen indarra transmititzen duen partikula da. Protoia fotoiekin bonbardatzen dute, zeharka ondorioztatzeko grabitateak zer-nolako interakzioa duen protoiarekin. Horrela, hamarkadatako ametsa bete dute, eta protoia aztertzeko modu alternatibo bat aurkitu dute.
“Lorpen handia da”, esan zuen Cédric Lorcé Frantziako Ecole Polytechniqueko fisikariak (ez da ikerketako parte-hartzaileetako bat). “Esperimentalki, oso konplexua da.”
Fotoietatik grabitoietara
Behin eta berriz elektroiekin bonbardatuta, fisikariek asko ikasi dute protoiari buruz azken 70 urteetan. Esate baterako, badakite protoiaren karga elektrikoa gutxi gorabehera 0,8 femtometro (metroaren milioi bat trilioirena) hedatzen dela nukleotik. Badakite ere protoia bonbardatzeko erabilitako elektroi horiek protoiaren barruan abiadan dabiltzan hiru quarketako batean –karga-zatikiak dituzten oinarrizko partikulak dira quarkak– errebotatzeko joera dutela. Gainera, teoria kuantikoaren ondorio bitxi bat ere egiaztatu dute fisikariek: talka indartsuenetan, badirudi elektroiek itsaso apartsu bat aurkitzen dutela, askoz quark gehiago dituena, baita gluoiak ere –quarkak elkarlotzen dituen elkarrekintza nuklear bortitza deritzonaren eramaileak dira gluoiak.
Informazio hori guztia lortzeko, muntaia sinple bat erabili dute: protoi bati elektroi bat jaurtitzen zaio, partikulek fotoi bat –indar elektromagnetikoaren eramailea– trukatzen dute eta batak besteari bultzatzen diote. Interakzio elektromagnetiko horren bidez, quarkak haien kargaren arabera nola antolatzen diren uler dezakete fisikariek. Baina protoia karga elektrikoa baino askoz gehiago da.
“Nola banatzen dira materia eta energia?”, galdetu zuen Peter Schweitzer Connecticuteko Unibertsitateko fisikari teorikoak. “Ez dakigu”.
Schweitzer protoiaren ezaugarri grabitazionalak aztertzen jardun da bere ibilbidearen zatirik handienean. Zehazki, protoiaren propietateen matrize bat aztertu du, energia-momentuaren tentsore deritzona. “Energia-momentuaren tentsorean dago partikulari buruz jakin beharreko informazio guztia”, esan zuen.
Albert Einsteinen Erlatibitate Orokorraren Teoriak espazio-denboran kurbak marrazten dituzten objektuak bailiran deskribatzen du grabitazio-erakarpena, eta, zentzu horretan, energia-momentuaren tentsoreak esango lioke nola tolestu behar duen espazio-denborari. Esate baterako, teoriak deskribatzen du nola antolatzen den energia –espazio-denboraren tortsioaren iturri nagusia–, baita masa ere. Eta momentua nola banatzen den azaltzen du. Gainera, konpresioa eta hedapena non gertatuko diren jakiteko informazioa ematen du, eta horren arabera ere espazio-denbora apur bat kurbatu daiteke.
Protoi baten inguruko espazio-denborak zer forma duen jakin bagenezake –errusiar eta estatubatuar fisikariek modu independentean lan egin zuten horretan 1960ko hamarkadan–, protoiaren energia-momentuaren tentsorean indexatutako propietate guztiak ondoriozta genitzake. Hor sartzen dira protoiaren masa eta spina, jada ezagunak, bai eta protoiaren presioen eta indarren antolaketa ere; fisikariek “Druck terminoa” deritzote azken propietate kolektibo horri (alemanez, druck presioa da). Termino hori “masa eta spina bezain garrantzitsua da, baina inork ez daki zer den”, esan zuen Schweitzerrek, baina hori aldatzen hasia da jada.
1960ko hamarkadan, bazirudien ohiko dispertsio-esperimentuaren bertsio grabitatorio bat beharko zela energia-momentuaren tentsorea neurtzeko eta Druck terminoa kalkulatzeko. Honela egiten da ohiko dispertsio-esperimentua: protoi bati partikula masibo bat jaurtitzen zaio eta grabitoi bat –hipotesien arabera, grabitazio-uhinak osatzen dituen partikula da grabitoia– trukatzen uzten zaie, fotoi bat trukatu ordez. Baina grabitatea oso ahula denez, fisikariek uste dute grabitoien dispertsioa fotoien dispertsioa baino askoz gutxiagotan gertatzen dela –magnitude-ordenatan, 39 aldiz gutxiago. Eta esperimentuek ezin dute detektatu horren efektu ahula.
“Gogoan dut horri buruzko zerbait irakurri nuela ikasle nintzenean”, esan zuen Volker Burkert Jefferson Labeko taldeko kideak. Eta hauxe zen ondorioa: “Ziurrenik inoiz ez dugu ezer ikasiko partikulen propietate mekanikoei buruz”.
Grabitatea, grabitaterik gabe
Oraindik ere, grabitazio-esperimentuak pentsaezinak dira. Baina 1990eko hamarkadaren amaieran eta 2000ko hamarkadaren hasieran Xiangdong Ji eta Maxim Polyakov fisikariek –bigarren hori zendua– bakoitzak bere aldetik egindako ikerketek metodo alternatibo bat eman zuten.
Hauxe da eskema orokorra: protoi bati elektroi bat jaurtitzen bazaio suabe, oro har elektroiak fotoi bat ematen dio quarketako bati, eta desbideratu egiten da. Baina bilioi bat kasutik batean baino gutxiagotan, gauza berezi bat gertatzen da. Elektroiak fotoi bat igortzen du. Quark batek fotoi hori xurgatu eta beste fotoi bat igortzen du berehala. Eta hauxe da berezitasuna: gertaera arraro horretan bi fotoik parte hartzen dutela –elektroiak igorritakoak eta quarkak igorritakoak–, baten ordez. Ji eta Polyakov fisikarien kalkuluek frogatu zutenez, ikertzaileek ondoriozko elektroia, protoia eta fotoia jasotzerik izango balute, partikula horien energietatik eta momentuetatik ondoriozta lezakete zer gertatu zaien bi fotoiei. Eta bi fotoien esperimentu horrek, funtsean, grabitoien dispertsioaren esperimentu ezinezkoak bezainbeste informazio emango luke.
Zer zerikusi izan dezakete bi fotoik grabitatearekin? Galdera horri erantzuteko, matematika korapilatsua erabili behar da. Baina fisikariek bi eratan azaltzen dute trikimailua.
Fotoiak eremu elektromagnetikoko uhinak dira, eta gezi edo bektore baten bidez deskriba daitezke espazioko puntu bakoitzean, eremuaren balioa eta norabidea adierazteko. Grabitoiak espazio-denboraren geometriako uhinak lirateke, baina eremu hori konplexuagoa da, puntu bakoitzean bi bektore baitaude. Grabitoi bat harrapatzea lortuz gero, bi informazio-bektore izango lituzkete fisikariek. Dena den, bi fotoik grabitoi bat ordezka dezakete, bien artean bi informazio-bektore dakartzate eta.
Gainera, badago matematikaren interpretazio alternatibo bat. Quark batek lehen fotoia xurgatzen duenetik bigarren fotoia igortzen duenera bitarte igarotzen den denboran, quarkak ibilbide bat egiten du espazioan. Ibilbide hori aztertuz gero, zenbait propietate ezagut ditzakegu, hala nola ibilbidearen inguruko presioak eta indarrak.
“Ez da grabitazio-esperimentu bat”, esan zuen Lorcék. Baina, “zeharka, protoi batek eta grabitoi batek zer interakzio izango duten jakin genezake”.
Protoi-planeta esploratzen
2000. urtean, Jefferson Labeko fisikariek bi fotoiren dispertsioa gertatzea lortu zuten hainbat alditan. Kontzeptu-proba horrek motibatuta, beste esperimentu bat eraiki zuten, eta, 2007an, elektroi jaurti zituzten protoien kontra, nahikoa alditan, grabitoiak imitatzen zituzten 500.000 talka inguru lortzeko. Gero, beste hamarkada bat behar izan zuten esperimentuetako datuak aztertzeko.
Espazio-denbora tolesteko propietateen indizean oinarrituta, lantaldeak Druck termino iheskorra lortu zuen, eta protoi barruko presioei buruzko haien balioespena argitaratu zuten Nature aldizkarian, 2018an.
Protoiaren bihotzean, elkarrekintza nuklear bortitzak ezin imajinatuzko presioak sortzen dituela konturatu ziren: 100 bilioi trilioi trilioi pascal, edo neutroi-izar baten bihotzean dagoen presioa 10 bider, gutxi gorabehera. Nukleotik urrundu ahala, presioa txikitu egiten da, eta puntu batean barrualderanzko noranzkoa hartzen du, protoiak eztanda egin ez dezan. “Hori ondorioztatzen da esperimentutik”, esan zuen Burkertek. “Bai, protoia benetan egonkorra da”. (Hala ere, aurkikuntza horrek ez du eraginik protoien desintegrazioa planteatzen denean, kasu horretan bestelako ezegonkortasun-mota bat behar bailitzateke, teoria espekulatibo batzuek aurreikusi moduan).
Jefferson Labeko taldeak Druck terminoa aztertzen jarraitu zuen. Abenduan argitaratutako berrikuspen batean, zizaila-indarren –protoiaren gainazalarekiko paraleloan bultzatzen duten barne-indarrak– estimazioa egin zuten. Fisikariek igarri zutenez, protoiak tortsio-indar bat du nukleotik gertu, baina neutralizatu egiten da, gainazaletik gertu kontrako noranzkoko beste tortsio-indar bat dagoelako. Neurketa horiek ere partikularen egonkortasuna azpimarratzen dute. Schweitzeren eta Polyakoven lan teorikoan oinarrituta, jada espero zen tortsio horiek egotea. “Hala ere, benetan harrigarria da esperimentuetan lehen aldiz hori gertatzen ikustea”, esan zuen Elouadrhirik.
Orain, protoiaren tamaina beste modu batean kalkulatzeko erabiltzen ari dira tresna horiek. Dispertsio-esperimentu tradizionaletan, fisikariek ikusi zuten partikularen karga elektrikoa 0,8 femtometro inguru hedatzen dela nukleotik (hau da, partikularen osagai diren quarkak eremu horretan dabiltza abiadan). Baina “karga-erradio” horrek baditu berezitasunak. Neutroiaren kasuan –protoiaren homologo neutroa, non karga negatiboko bi quarkek partikularen barruan geratzeko joera duten, eta karga positiboko quark batek azaletik gertu denbora gehiago igarotzen duen–, karga-erradioa zenbaki negatiboa da. “Horrek ez du esan nahi tamaina negatiboa denik, baizik eta neurria ez dela zehatza”, esan zuen Schweitzerrek.
Metodo berriak espazio-denboraren eremua neurtzen du, protoiak nabarmen kurbatzen duena. Parekoen ebaluazioa oraindik pasa ez duen aurre-argitalpen batean, Jefferson Labeko taldeak kalkulatu zuen erradio hori karga-erradioa baino % 25 inguru txikiagoa izan daitekeela (0,6 femtometro soilik).
Protoi-planetaren mugak
Ikuspegi kontzeptualetik, horrelako azterketek arindu egiten dute planeta baten moduko objektu solido horretan quarkek egiten duten dantza lausoa, bolumen izpi bakoitzean eragina duten presio eta indarrekin. Planeta izoztu horrek ez du protoi karrankaria bere loria kuantiko osoan islatzen, baina eredu egokia da. “Interpretazio bat da”, esan zuen Schweitzerrek.
Eta fisikariek azpimarratzen dutenez, hasierako mapak gutxi gorabeherakoak dira, zenbait arrazoirengatik.
Lehenik eta behin, Jefferson Laben sortu daitezkeenak baino askoz talka-energia handiagoak behar direlako energia-momentuaren tentsorea zehaztasunez neurtzeko. Taldeak gogor lan egin du joerak kontu handiz estrapolatzeko, energia sortzeko gaitasun mugatu horretatik abiatuta, baina fisikariek oraindik ez dute argi estrapolazio horiek zehatzak ote diren.
Gainera, quarkak ez ezik, gluoiak ere badaude protoian, jirabiraka beren presio eta indar propioarekin. Bi fotoien trikimailuak ez du balio gluoien efektuak antzemateko. Jefferson Labeko beste talde batek antzeko trikimailu bat –gluoi bikoitzeko interakzioaren bidez– erabili zuen, iaz Nature aldizkarian gluoien efektu horiei buruzko atariko grabitazio-mapa bat argitaratzeko. Baina horrek ere datu mugatuak izan zituen oinarri, energia sortzeko gaitasun mugatuagatik.
“Lehen urratsa da”, esan zuen Brookhaven National Laboratory-ko fisikari Yoshitaka Hattak, Jefferson Labeko taldearen 2018ko lanak inspiratuta grabitazio-protoia aztertzen hasi zenak.
Baliteke 2030eko hamarkadan protoiaren quarken zein gluoien grabitazio-mapa argiagoak garatzea, Elektroien eta Ioien Talkagailua martxan jartzen denean; gaur egun, esperimentu hori eraikitzen ari dira Brookhavenen.
Bien bitartean, esperimentu digitalak egiten jarraitzen dute fisikariek. Phiala Shanahan Massachusetts Institute of Technology-ko fisikari nuklear eta partikulen fisikariak talde bat zuzentzen du, zeina elkarrekintza nuklear bortitzaren ekuazioetatik abiatuta quarken eta gluoien portaera kalkulatzen ari den. 2019an, Shanahanek eta bere laguntzaileek presioak eta zizaila-indarrak kalkulatu zituzten, eta urrian, erradioa, beste propietate batzuez gain. Orain arte, haien aurkikuntza digitalak eta Jefferson Labeko aurkikuntza fisikoak bat etorri dira, gehienetan. “Zalantzarik gabe, hunkigarria da azken emaitza esperimentalak eta gure datuak bat datozela ikustea”, esan zuen Shanahanek.
Orain arte protoiaren zantzu lausoak besterik lortu ez diren arren, nahikoa izan da ikertzaileek protoiari buruz duten ezagutza apur bat aldatzeko.
Ondorio batzuk praktikoak dira. CERNek kudeatzen du Hadroien Talkagailu Handia, munduko protoi-talkagailu handiena, eta, bertan, fisikariek uste zuten oso ohikoak ez ziren talka batzuetan quarkak edozein lekutan egon zitezkeela protoi horien barruan. Baina grabitazioan inspiratutako mapek iradokitzen dutenez, quarkek nukleotik hurbil egoteko joera dute kasu horietan.
“CERNen erabiltzen dituzten ereduak eguneratu dira jada”, esan zuen Jefferson Labeko esperimentuetan lan egiten duen Francois-Xavier Girod fisikariak.
Gainera, mapa berriek protoiaren misterio handienetako bat argitzen lagundu dezakete: quarkak zergatik lotzen diren bata besteari protoien barruan. Argudio intuitibo baten arabera, quark pareen arteko elkarrekintza nuklear bortitza areagotu egiten da quarkak bata bestetik urrundu ahala, banda elastiko bat bailiran, eta, horren ondorioz, quarkek ezin dute batak bestetik ihes egin.
Baina protoiek quarken familiako kiderik arinenak dituzte. Eta quark arinak protoiaren gainazaletik haratago hedatzen diren uhin luzetzat ere hartu daitezke. Horregatik, ondoriozta daiteke protoia ez dela batuta mantentzen banda-elastikoen barne-trakzioagatik, baizik eta quark uhinkari eta luzatu horien arteko kanpo-interakzioengatik. Presio-mapan ikusten denez, elkarrekintza nuklear bortitzaren erakarpena 1,4 femtometroraino eta haratago hedatzen da, eta horrek indartu egiten du teoria alternatibo hauen aldeko argudioa.
“Ez da behin betiko erantzuna”, esan zuen Girodek, “baina pentsa liteke banda elastikoen irudi soil horiek ez direla garrantzitsuak quark arinen kasuan”.
Jatorrizko artikulua:
Charlie Wood (2024). Swirling Forces, Crushing Pressures Measured in the Proton, Quanta Magazine, 2024ko martxoaren 14a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.