پروتون‌ها برای همه مواد، ذراتی پایه و اساسی هستند، اما ساختار داخلی آنها یکی از پیچیده‌ترین معماهای دنیای فیزیک است.

آنها از کوارک‌ها ساخته شده‌اند. نیروی قدرتمندی که مسؤول نگه‌داشتن این کوارک‌هاست، بسیار قدرتمند است و در چنان مقیاس‌های کوچکی عمل می‌کند که روش‌های تجربی سنتی برای اندازه‌گیری مستقیم آن ناکام هستند.

با این حال، از آنجایی که پروتون‌ها نقش مهمی در هسته‌های اتم ایفا می‌کنند، درک نیروهای قوی درون آنها مهم است. این اطلاعات می‌تواند مدل‌های مختلف فیزیک نظری را بهبود ببخشد و دقت آزمایش‌های پر انرژی را افزایش دهد.

با توجه به این واقعیت‌ها، گروهی از محققان بین‌المللی مطالعه‌ای را انجام دادند که هدف آن نقشه‌برداری از نیروهای داخل یک پروتون بود و در کمال تعجب، مطالعه آنها یک موفقیت بزرگ را رقم زد.

ریچارد یانگ(Richard Young)، استادیار در دانشگاه آدلاید و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: این مطالعه با قابل مشاهده کردن نیروهای نامرئی داخل پروتون، برای اولین بار شکاف بین تئوری و آزمایش را پر کرد.

تبدیل فضا و زمان به شبکه

محققان برای کشف نیروهای درون یک پروتون، از یک تکنیک محاسباتی به نام «کرومودینامیک کوانتومی شبکه»(Lattice QCD) استفاده کردند. در این روش از ابررایانه‌های قدرتمند برای مطالعه ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و گلوئون‌ها استفاده می‌شود.

محققان به جای تلاش برای مشاهده مستقیم این ذرات که بسیار چالش برانگیز است، با شکستن فضا و زمان در نقاط گسسته کوچک، یک شبکه مجازی ایجاد کردند.

این شبکه به آنها اجازه می‌دهد تا معادلات پیچیده‌ای را که شبیه‌سازی کوارک‌ها از طریق نیروی قوی داخل یک پروتون هستند، به کار گیرند. این شبیه‌سازی‌ها در نهایت منجر به نقشه‌ای شد که نیروهای عامل درون پروتون را نشان می‌دهد.

جاشوا کرافورد(Joshua Crawford)، محقق اصلی و دانشجوی دکترا در دانشگاه آدلاید گفت: یافته‌های ما نشان می‌دهد که حتی در این مقیاس‌های کوچک، نیروهای درگیر بسیار زیاد هستند و به قدرت نیم میلیون نیوتن، معادل قدرت حدود ۱۰ فیل می‌رسند که در فضایی بسیار کوچکتر از هسته اتم فشرده شده‌اند.

احتمال رقم خوردن تغییراتی بزرگ

درک پویایی داخلی پروتون‌ها برای بهبود دانش ما در مورد فیزیک هسته‌ای و ذرات، ضروری است. مطالعه حاضر یکی از مراحل اولیه در جهت شناخت نیروهایی است که یک پروتون را دست نخورده نگه می‌دارد.

در آینده، اکتشافات ساخته شده بر روی یافته‌های این مطالعه می‌تواند به راکتورهای هسته‌ای کارآمدتر، مواد پیشرفته و استراتژی‌های درمانی مؤثر در مقابل سرطان کمک کند.

به عنوان مثال، پروتون‌درمانی نوعی از درمان سرطان است که به پروتون‌های پر انرژی برای حمله و از بین بردن تومورها متکی است. بنابراین این روش درمانی می‌تواند از درک عمیق‌تر از رفتار پروتون بهره‌مند شود. تحقیقات بیشتر در مورد نیروهای درون یک پروتون همچنین می‌تواند میزان دقت در چنین درمان‌هایی را بهبود بخشد.

یانگ می‌گوید: همانطور که پیشرفت‌های اولیه در درک نور، راه را برای توسعه لیزرهای پیشرفته و تصویربرداری هموار می‌کند، پیشبرد دانش ما در مورد ساختار پروتون نیز می‌تواند نسل بعدی برنامه‌های کاربردی در علم و پزشکی را شکل دهد.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.