Bintang neutron adalah salah satu objek terpadat di alam semesta, menahan tekanan sangat besar (sangat padat) sehingga satu sendok teh dari bahan yang terdapat di bintang neutron akan sama dengan sekitar 15 kali berat bulan. Namun, ternyata proton bahkan memiliki tekanan yang lebih besar lagi.
Untuk pertama kalinya, fisikawan MIT telah menghitung distribusi tekanan pada proton, dan menemukan bahwa partikel tersebut mengandung sebuah inti yang bertekanan tinggi, yang pada titik paling intens, menghasilkan tekanan lebih besar daripada yang ditemukan di dalam bintang neutron.
Inti ini mendorong keluar dari pusat proton, sementara wilayah sekitarnya mendorong ke dalam. Tekanan yang saling berlawanan ini bertindak untuk menstabilkan struktur keseluruhan proton.
Diterbitkan di Physical Review Letters, hasil penelitian para fisikawan ini mewakili pertama kalinya bahwa para ilmuwan telah menghitung distribusi tekanan proton dengan memperhitungkan kontribusi kuark dan gluon, konstituen subatomik fundamental, proton.
“Tekanan adalah aspek fundamental dari proton yang kita tahu sedikit tentang itu saat ini,” kata pemimpin penulis Phiala Shanahan, dari MIT. “Sekarang kami telah menemukan bahwa kuark dan gluon di pusat proton menghasilkan tekanan ke luar yang signifikan, dan lebih jauh menuju tepi, terdapat sebuah tekanan yang membatasinya. Dengan hasil ini, kami menuju gambaran lengkap tentang struktur proton.”
Pada Mei 2018, para fisikawan di Thomas Jefferson National Accelerator Facility dari Departemen Energi AS mengumumkan bahwa mereka telah mengukur distribusi tekanan proton untuk pertama kalinya, menggunakan seberkas elektron yang mereka tembakkan pada sebuah target yang terbuat dari hidrogen. Elektron berinteraksi dengan kuark yang terdapat di dalam proton target. Fisikawan kemudian menentukan distribusi tekanan di seluruh proton, berdasarkan pada cara di mana elektron tersebar dari target. Hasil mereka menunjukkan pusat tekanan tertinggi pada proton pada titik tekanan tertinggi yang diukur sekitar 1035 pascals, atau 10 kali dari tekanan di dalam bintang neutron.
Secara khusus, para peneliti mendasarkan perkiraan tekanan mereka pada interaksi kuark dari proton, tetapi bukan gluonnya. Proton terdiri dari kuark dan gluon, yang terus-menerus berinteraksi secara dinamis dan berfluktuasi di dalam proton. Tim Laboratorium Jefferson hanya dapat menentukan kontribusi kuark dengan pendeteksinya, yang menurut Shanahan mengabaikan sebagian besar kontribusi tekanan proton.
Untuk mengukur tekanan proton, Shanahan dan Detmold tampak memasukkan peran gluon dengan menggunakan superkomputer untuk menghitung interaksi antara kuark dan gluon yang berkontribusi pada tekanan proton.
“Di dalam proton, ada kekosongan kuantum yang menggelegak dari pasangan quark dan antiquark, serta gluon, muncul dan menghilang,” kata Shanahan. “Perhitungan kami mencakup semua fluktuasi dinamis ini.”
Tim menggunakan sebuah teknik dalam fisika yang dikenal sebagai kisi QCD (quantum chromodynamics), yang merupakan seperangkat persamaan yang menggambarkan gaya kuat, salah satu dari tiga kekuatan fundamental dari Model Standar fisika partikel. (Dua lainnya adalah gaya lemah dan elektromagnetik.) Gaya kuat adalah apa yang mengikat kuark dan gluon untuk akhirnya membentuk proton.
Dibandingkan dengan hasil Lab Jefferson, Shanahan dan Detmold menemukan bahwa, dengan memasukkan kontribusi gluon, distribusi tekanan dalam proton bergeser secara signifikan.
Dengan kata lain, tampak bahwa tekanan tertinggi pada proton adalah sekitar 1035 pascals, atau 10 kali lipat dari bintang neutron, mirip dengan yang dilaporkan para peneliti di Jefferson Lab. Wilayah tekanan rendah di sekitarnya memanjang lebih jauh dari perkiraan sebelumnya.
Mengkonfirmasi kalkulasi baru ini akan membutuhkan detektor yang jauh lebih kuat, seperti Electron-Ion Collider, sebuah akselerator partikel yang diusulkan yang bertujuan untuk digunakan oleh fisikawan untuk menyelidiki struktur bagian dalam proton dan neutron, lebih terinci daripada sebelumnya, termasuk gluon.
“Kami berada di masa-masa awal memahami secara kuantitatif peran gluon dalam proton,” kata Shanahan. “Dengan menggabungkan kontribusi kuark yang diukur secara eksperimental, dengan perhitungan baru kami tentang gluon, kami memiliki gambaran lengkap pertama tentang tekanan proton, yang merupakan prediksi yang dapat diuji pada collider baru dalam 10 tahun ke depan.”
