Jika Anda naik Bus Sekolah Sihir dan mulai menyusut - lebih kecil dari semut atau amuba atau sel tunggal, dan kemudian terus menyusut sampai atom tunggal sebesar seluruh dunia, dan bahkan partikel penyusunnya menjulang di atas Anda - Anda akan memasuki dunia yang penuh dengan tekanan besar dan saling bertentangan.
Di pusat proton, tekanan yang lebih besar dari yang ditemukan di dalam bintang neutron akan membawa Anda keluar ke tepi partikel. Tetapi pada batas terluar proton, kekuatan yang sama dan berlawanan akan mendorong Anda ke pusat proton. Sepanjang jalan, Anda akan diterpa kekuatan geser yang bergerak ke samping yang jauh melebihi apa pun yang pernah dialami seseorang dalam hidup mereka.
Sebuah makalah baru, yang diterbitkan 22 Februari dalam jurnal Physical Review Letters, menawarkan deskripsi yang paling lengkap tentang tekanan yang bersaing di dalam proton, tidak hanya dalam hal quark - partikel yang memberikan proton massa - tetapi gluon, partikel tak bermassa yang mengikat quark itu bersama.
Keadaan kuantum yang mendidih dan mendidih
Deskripsi sederhana tentang proton hanya melibatkan tiga quark yang disatukan oleh sekelompok gluon. Tetapi uraian itu tidak lengkap, kata rekan penulis studi Phiala Shanahan, seorang ahli fisika di Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Proton terdiri dari sekelompok gluon dan kemudian sebenarnya sekelompok quark," kata Shanahan kepada Live Science. "Bukan hanya tiga. Ada tiga quark utama, dan kemudian sejumlah pasangan quark-antiquark yang muncul dan menghilang ... dan itu semua interaksi rumit dari keadaan kuantum yang mendidih dan mendidih yang menghasilkan tekanan ini."
Shanahan dan rekan penulis William Detmold, yang juga seorang ahli fisika di MIT, menemukan bahwa gluon menghasilkan tekanan sekitar dua kali lipat dari kuark di dalam proton, dan bahwa tekanan ini didistribusikan di area yang lebih luas daripada yang diketahui sebelumnya. Mereka menemukan bahwa tekanan total proton memuncak pada 100 decillion (atau 1 dengan 35 nol setelahnya) pascals - atau sekitar 260 sextillion (atau 26 dengan 22 nol setelahnya) dikali tekanan di pusat Bumi.
Secara kritis, tekanan itu menunjuk ke dua arah yang berbeda.
"Ada wilayah tekanan positif sehingga harus juga ada wilayah tekanan negatif," katanya. "Jika hanya ada wilayah tekanan positif, proton akan terus berkembang dan itu tidak akan stabil."
Perhitungan yang sangat besar
Tetapi sebesar tekanan itu, tidak ada cara bagi para ilmuwan untuk mengukurnya secara langsung dalam sebagian besar keadaan. Untuk menyelidiki interior proton, para ilmuwan membombardir mereka dengan elektron yang lebih kecil dengan energi yang sangat tinggi. Dalam prosesnya, mereka mengubah proton. Tidak ada eksperimen yang diketahui yang bisa mengungkapkan bagaimana rasanya di dalam proton dengan energi rendah yang biasanya mereka alami.
Jadi para ilmuwan mengandalkan teori Quantum Chromodynamics (QCD) - yang menggambarkan quark dan gluon pembawa kekuatan yang mengikat mereka. Para ilmuwan tahu QCD bekerja karena eksperimen berenergi tinggi memberikan prediksi, kata Detmold. Tetapi pada energi rendah, mereka harus percaya pada matematika dan perhitungan.
"Sayangnya sangat sulit untuk belajar secara analitis, menuliskan persamaan dengan pena dan kertas," kata Shanahan.
Sebagai gantinya, para peneliti beralih ke superkomputer yang menyatukan ribuan inti prosesor untuk memecahkan persamaan yang rumit.
Bahkan dengan dua superkomputer yang bekerja bersama, perhitungannya memakan waktu sekitar satu tahun, katanya.
Shanahan dan Detmold memecah proton ke dalam dimensi yang berbeda (tiga untuk ruang, dan satu untuk waktu) untuk menyederhanakan masalah yang harus diselesaikan oleh superkomputer.
Alih-alih satu angka, peta tekanan yang dihasilkan akan terlihat seperti bidang panah, semua ukuran berbeda dan menunjuk ke arah yang berbeda.
Jadi jawaban untuk pertanyaan, "Apa tekanan di dalam proton?" sangat tergantung pada bagian proton yang Anda tanyakan.
Itu juga tergantung pada jari-jari proton. Jika proton adalah kantong gluon dan quark, kantong itu tumbuh dan menyusut tergantung pada partikel lain yang bekerja padanya. Jadi hasil Shanahan dan Detmold tidak sampai satu angka.
Tapi sekarang peta ekstrem dari semua dunia kecil yang mendidih di dalam diri kita ini jauh lebih jelas.
