แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถแยกแยะขนาดของโปรตอนได้ในที่สุด แต่ก็ยังมีอะไรให้เข้าใจอีกมาก เจาะลึกเข้าไปในความกล้าของโปรตอน และอนุภาคที่ดูเหมือนธรรมดาจะกลายเป็นลานตาของความซับซ้อน การสั่นไหวรอบๆ ภายในโปรตอนแต่ละตัวเป็นอนุภาคสามตัวที่เรียกว่าควาร์ก: ควาร์ก “ดาวน์” ที่มีประจุลบหนึ่งตัวและควาร์ก “ขึ้น” ที่มีประจุบวก 2 ตัว ในทางกลับกัน นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว
ทว่าแม้แต่ภาพควาร์กทรีโอก็ง่ายเกินไป นอกจากควาร์กสามตัวที่มักปรากฏอยู่
ฝูงอนุภาคชั่วคราวที่ปั่นป่วนปั่นป่วนปั่นป่วนภายในโปรตอน กลุ่มของควาร์กเพิ่มเติมและคู่ปฏิสสารของพวกมัน แอนติควาร์ก หมุนเวียนไปเรื่อย ๆ แล้วทำลายล้างซึ่งกันและกัน Gluons ซึ่งเป็นอนุภาค “กาว” ที่ยึดโปรตอนไว้ด้วยกัน ดูแลระหว่างอนุภาคต่างๆ กลูออนเป็นผู้ส่งสารของแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ที่ทำให้ควาร์กดึงดูดกันและกันอย่างแรงกล้า
สปินใหม่
นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการหมุนของโปรตอนเกิดจากควาร์กหลักสามตัว (ซ้าย ลูกศรระบุทิศทางการหมุนของควาร์ก) แต่กลูออน (สีเหลือง) และคู่ควาร์กและแอนติควาร์กชั่วคราวนั้นมีส่วนช่วยในการหมุนและการเคลื่อนที่ของพวกมัน (ลูกศรสีเทาที่ด้านขวา)
BROOKHAVEN NATIONAL LAB ดัดแปลงโดย T. TIBBITTS
จากความโกลาหลนี้ คุณสมบัติของโปรตอนและนิวตรอนก็ยากที่จะรับมือได้ ทรัพย์สินชิ้นหนึ่งที่หมุนได้ใช้เวลาหลายสิบปีในการตรวจสอบอย่างรอบคอบ แต่ก็ยังไม่แยกออก อนุภาคควอนตัมเกือบจะหมุนวนด้วยความเร็วที่พุ่งพล่าน เหมือนกับโลกหมุนรอบแกนของมัน สปินนี้สร้างโมเมนตัมเชิงมุม — คุณภาพของวัตถุที่หมุนได้ ตัวอย่างเช่น ทำให้ยอดหมุนไปเรื่อยๆ จนกว่าการเสียดสีจะช้าลง การหมุนยังทำให้โปรตอนมีพฤติกรรมเหมือนแม่เหล็กขนาดเล็ก เนื่องจากประจุไฟฟ้าที่หมุนรอบตัวทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก คุณสมบัตินี้เป็นกุญแจสำคัญในกระบวนการสร้างภาพทางการแพทย์ที่เรียกว่าการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กหรือ MRI
แต่ก็เหมือนกับควอนตัมเกือบทุกอย่าง
มีความแปลกประหลาดบางอย่างปะปนอยู่: ไม่มีการหมุนเกิดขึ้นจริง เนื่องจากอนุภาคพื้นฐานอย่างควาร์กไม่มีขนาดทางกายภาพที่แน่นอน เท่าที่นักวิทยาศาสตร์ทราบ พวกมันไม่สามารถหมุนวนได้ แม้จะไม่มีการหมุน แต่อนุภาคก็ยังคงทำตัวเหมือนมีการหมุน ซึ่งสามารถรับได้เฉพาะค่าบางค่าเท่านั้น: การคูณจำนวนเต็ม 1/2
ควาร์กมีสปิน 1/2 และกลูออนมีสปิน 1 สปินเหล่านี้รวมกันเพื่อช่วยให้เกิดการหมุนทั้งหมดของโปรตอน นอกจากนี้ เช่นเดียวกับที่โลกกำลังหมุนรอบแกนของตัวเองและโคจรรอบดวงอาทิตย์ ควาร์กและกลูออนก็อาจโคจรรอบศูนย์กลางของโปรตอนด้วย ทำให้เกิดโมเมนตัมเชิงมุมเพิ่มเติมที่สามารถส่งผลต่อการหมุนทั้งหมดของโปรตอน
อย่างไรก็ตาม การหมุนและการโคจรของควาร์กและกลูออนภายในโปรตอนจะรวมกันเพื่อสร้างสปินของ 1/2 ในขั้นต้น นักฟิสิกส์คาดว่าคำอธิบายจะง่าย พวกเขาคิดว่าอนุภาคเดียวที่สำคัญคือควาร์กหลักสามตัวของโปรตอน ซึ่งแต่ละตัวมีสปิน 1/2 หากสปินสองอันนั้นถูกจัดวางในทิศทางตรงกันข้าม พวกมันสามารถหักล้างซึ่งกันและกันเพื่อสร้างสปินรวม 1/2 แต่การทดลองที่เริ่มต้นในปี 1980 แสดงให้เห็นว่า “ภาพนี้ห่างไกลจากความจริงมาก” นักฟิสิกส์พลังงานสูงทางทฤษฎี Juan Rojo จาก Vrije University Amsterdam กล่าว น่าแปลกที่การหมุนเพียงเล็กน้อยดูเหมือนจะมาจากควาร์ก ทำให้นักวิทยาศาสตร์สับสนกับสิ่งที่เรียกว่า “วิกฤตการหมุน” ( SN: 9/6/97, p. 158 ) การหมุนของนิวตรอนก็เป็นเรื่องลึกลับเช่นกัน
ลางสังหรณ์ต่อไปของนักวิทยาศาสตร์คือกลูออนมีส่วนทำให้เกิดการหมุนของโปรตอน “การตรวจสอบสมมติฐานนี้เป็นเรื่องยากมาก” Rojo กล่าว จำเป็นต้องมีการศึกษาทดลองที่ Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, เครื่องเร่งอนุภาคที่ Brookhaven National Laboratory ใน Upton, NY
ในการทดลองเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ชนโปรตอนที่ถูกโพลาไรซ์ โดยการหมุนของโปรตอนทั้งสองถูกจัดแนวหรือชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม นักวิจัยนับผลคูณของการชนเหล่านั้นและเปรียบเทียบผลลัพธ์สำหรับการหมุนในแนวเดียวกันและตรงข้าม ผลการวิจัยพบว่าสปินมาจากกลูออนมากน้อยเพียงใด จากการวิเคราะห์โดย Rojo และเพื่อนร่วมงานซึ่งตีพิมพ์ในNuclear Physics Bในปี 2014 กลูออนคิดเป็น 35 เปอร์เซ็นต์ของการหมุนของโปรตอน เนื่องจากควาร์กมีสัดส่วนประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ จึงเหลืออีก 40 เปอร์เซ็นต์ที่ยังไม่ได้พิจารณา
นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ Elke-Caroline Aschenauer จาก Brookhaven กล่าวว่า “เราไม่รู้เลยจริงๆ ว่าการหมุนทั้งหมดถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร “เราอาจจะเข้าใจมันเพียงเล็กน้อย” นั่นเป็นเพราะว่าควาร์กหรือกลูออนแต่ละตัวมีพลังงานบางส่วนของโปรตอน และไม่สามารถตรวจพบควาร์กและกลูออนพลังงานที่ต่ำที่สุดได้ที่ RHIC เครื่องเร่งอนุภาคที่เสนอ เรียกว่า Electron-Ion Collider (ตำแหน่งที่จะกำหนด) สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบพื้นที่ที่ถูกละเลยได้
Electron-Ion Collider ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่การเคลื่อนที่ของวงโคจรของควาร์กและกลูออนที่ยังไม่ถูกวัด ซึ่งอาจส่งผลต่อการหมุนของโปรตอนเช่นกัน
credit : massiliasantesystem.com maturefolk.com metrocrisisservices.net michaelkorscheapoutlet.com michaelkorsfor.com
