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

آنها از کوارک‌ها ساخته شده‌اند. نیروی قدرتمندی که مسؤول نگه‌داشتن این کوارک‌ها است، زیاد قوی است و در چنان مقیاس‌های کوچکی عمل می‌کند که راه حلهای تجربی سنتی برای اندازه‌گیری مستقیم آن ناکام می باشند.

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

با دقت به این حقیقت‌ها، گروهی از محققان بین‌المللی مطالعه‌ای را انجام دادند که مقصد آن نقشه‌برداری از نیروهای داخل یک پروتون می بود و در کمال شگفتی، مطالعه آنها یک پیروزی 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) منفعت گیری کردند. در این روش از ابررایانه‌های قوی برای مطالعه ذرات بنیادی همانند کوارک‌ها و گلوئون‌ها منفعت گیری می‌شود.

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

این شبکه به آنها اجازه می‌دهد تا معادلات پیچیده‌ای را که همانند‌سازی کوارک‌ها از طریق نیروی قوی داخل یک پروتون می باشند، به کار گیرند. این همانند‌سازی‌ها در نهایت تبدیل نقشه‌ای شد که نیروهای عامل درون پروتون را مشخص می کند.

جاشوا کرافورد(Joshua Crawford)، محقق مهم و دانشجوی دکترا در دانشگاه آدلاید او گفت: یافته‌های ما مشخص می کند که حتی در این مقیاس‌های کوچک، نیروهای دچار زیاد زیاد می باشند و به قوت نیم میلیون نیوتن، معادل قوت نزدیک به ۱۰ فیل می‌رسند که در فضایی زیاد کوچکتر از هسته اتم فشرده شده‌اند.

گمان رقم خوردن تغییراتی بزرگ

فهمیدن پویایی داخلی پروتون‌ها برای بهبود دانش ما در رابطه فیزیک هسته‌ای و ذرات، الزامی است. مطالعه حاضر یکی از مرحله های 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 روبه رو سرطان پشتیبانی کند.

به گفتن مثال، پروتون‌درمانی نوعی از درمان سرطان است که به پروتون‌های پر انرژی برای دعوا و از بین بردن تومورها متکی است. به این علت این روش درمانی می‌تواند از فهمیدن عمیق‌تر از حرکت پروتون منفعت‌مند شود. تحقیقات زیاد تر در رابطه نیروهای درون یک پروتون این چنین می‌تواند مقدار دقت در این چنین درمان‌هایی را بهبود بخشد.

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

این مطالعه در مجله Physical Review Letters انتشار شده است.