Et team af fysikere er begyndt på en rejse, hvor få andre er gået: ind i limet, der binder atomkerner. Den resulterende måling, der blev ekstraheret fra eksperimentelle data taget ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator -facilitet, er den første af sin art og vil hjælpe fysikere med at image partikler kaldet gluoner.
Papiret, der afslører resultaterne, offentliggøres og fremhæves som redaktørens forslag i Fysiske gennemgangsbreve.
Gluoner formidler den stærke kraft, der “limer” sammen kvarker, en anden type subatomisk partikel, til at danne protoner og neutroner beliggende i centrum af atomer i almindeligt stof. Mens tidligere målinger har gjort det muligt for forskere at lære om fordelingen af gluoner i ensomme protoner eller neutroner, ved de mindre om, hvordan gluoner opfører sig inde i protoner eller neutroner bundet i kerner.
“Dette resultat repræsenterer et stort skridt fremad i at lære om, hvor det Gluon -felt er placeret i en proton,” sagde Axel Schmidt, en adjunkt i fysik ved George Washington University og en hovedundersøger af dette arbejde. “Vi ser bevis for, at det muligvis ændrer sig, når en proton eller neutron er inde i en kerne.”
En charmerende guidepostpartikel
I mere end fire årtier har fysikfællesskabet vidst, at kvarker, byggestenene i vores synlige univers, bevæger sig langsommere, når de udgør en proton eller neutron, der er inde i en atomkerne sammenlignet med en ensom proton eller neutron. Men fysikere har ikke været i stand til at finde ud af, hvorfor dette fænomen, kendt som EMC -effekten, forekommer.
For at lære mere om det og den stærke styrke generelt er fysikere nødt til at undersøge gluoner, som de undersøgte kvarker. At måle fordelingen af gluoner, som er neutrale, er imidlertid mere udfordrende end at måle fordelingen af elektrisk ladede kvarker.
“At studere disse neutrale partikler, der kun interagerer med den stærke kraft, er meget vanskeligere,” sagde Lucas Ehinger, en kandidatstuderende ved Massachusetts Institute of Technology, der arbejdede med den analyse, der førte til denne måling. “Vi ved meget mindre om dem og deres dynamik i kerner, herunder om der er nogen form for potentiel EMC -effekt med dem.”
Dette arbejde tager et skridt i retning af at ændre dette. Og det gør det ved at måle en anden partikel helt: j/ψ (eller j/psi).
Eksperimentet blev udført på Jefferson Labs kontinuerlige elektronstråleacceleratorfacilitet, en DOE -brugerfacilitet, der understøtter forskningen fra mere end 1.650 nukleare fysikere over hele verden. CEBAFs elektronstråler kan bruges til også at fremstille bjælker med højenergi-fotoner til eksperimenter, der undersøger atomkerner.
At skyde en stråle af fotoner ved protoner og neutroner kan producere J/ψ -partikler, som hver straks falder ind i en elektron og positron. Detektering af dette par viser, hvor mange J/ψ der blev produceret under et eksperiment. J/ψ er lavet af charme kvarker. Fordi charme -kvarker, en af de seks varianter af kvarker, ikke er en del af protonen eller neutronen, ved fysikere, at J/ψ er født fra samspillet mellem fotonen og gluon, som kan producere partikler, der indeholder enhver smag af kvark.
Produktionen af J/ψ er et velkendt værktøj til at studere Gluon-distributioner. Tidligere eksperimenter på Jefferson Lab brugte en fotonstråle til at måle J/ψ -produktion af en ensom proton i limxdetektoren. For at fremstille J/ψ, som er en tung partikel, måtte fotonstrålens energi være meget høj – i det mindste 8,2 GeV.
I dette arbejde brugte det eksperimentelle team også en fotonstråle til at fremstille J/ψ. De var imidlertid i stand til at gøre det ved hjælp af fotoner under 8,2 GEV -energitærsklen og måle resultaterne i limxdetektoren.
Dette var muligt, fordi de brugte forskellige kerner som mål: deuterium, helium og kulstof. I modsætning til et ensomt proton- eller neutronmål bevæger protonerne og neutronerne sig inde i disse kerner rundt. Deres kinetiske energi kombineres med energien fra den indkommende foton under tærsklen, og sammen tilbyder de nok energi til at skabe J/ψ.
Som et resultat var teamet det første til at måle J/ψ -fotoproduktion under den fotonenergitærskel, der kræves til en stationær proton. Fordi denne måling blev taget af kerner, billeder af den lim, der holder sammen protoner og neutroner bundet inde i kernen.
“Vi er i denne grænse af nuklear lim. I det væsentlige er der ikke kendt noget, så alt hvad du måler er informativt,” sagde eller Hen, professor i fysik ved MIT og en hovedundersøger for dette arbejde. “Det er super spændende og super vanskeligt på samme tid.”
Kortlægning af et kort til fremtidige målinger
En af grundene til, at denne Pathfinder -måling var vanskelig, er fordi der ikke var tidligere målinger for at vejlede den. Ved at gå i gang med analysen var teamet ikke engang sikker på, at det var muligt. Eksperimentet, der indsamlede disse data, skulle oprindeligt ikke måle undergrænse J/ψ -produktion; Det var mere en håbefuld tilføjelse.
Heldigvis havde forskerne Jackson Pybus på deres team. Pybus førte hovedparten af analysen, mens han var kandidatstuderende ved MIT. Han opfordrede til sin træning i løbet af en sommer i udlandet i Tyskland. Der havde han arbejdet med en teoretiker for at lære om letfrontdynamik.
Denne tilgang gælder generelt for kvantefeltteorier, der beskriver relativistisk partikeladfærd (partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed). I denne forskning er det mest nyttigt til at beskrive partikelsystemer som kerner. Anvendelse af tricks fra denne teoretiske metode gjorde det muligt for Pybus og teamet at udtrække denne måling.
“Dette arbejde er både unikt med hensyn til hvad fysik det lærer os, men også med hensyn til de teknikker, som en kandidatstuderende implementerede for at få den fysik,” sagde Hen. “Ingen af os, undtagen for Jackson, ville have været i stand til at udføre dette arbejde. Han fortjener en masse kredit.”
Da eksperimentalisterne sammenlignede deres under tærskelmåling med teoretiske forudsigelser, så de, at der blev produceret mere J/ψ end teori forudsagt. Denne forskel antyder, at den nukleare lim opfører sig anderledes end limet i ensomme protoner eller neutroner, men flere data er nødvendige for at bestemme nøjagtigt hvordan. Heldigvis vil disse resultater tjene som et kort til at guide lignende fremtidige målinger.
“Nu hvor vi ved, at vi kan udføre denne måling, vil vi virkelig gerne optimere et længere eksperiment for at måle dette detaljeret og kvantitativt fastlægge nogle af disse potentielt eksotiske effekter, hvor vi virkelig kun har et første look lige nu,” sagde Pybus, der nu er en postdoktor på Los Alamos National Laboratory.
De data, der blev anvendt i dette arbejde-lavede op af kun snesevis af J/ψ-målinger-blev indsamlet under et relativt kort seks ugers løb i 2021. Holdet foreslår et eksperiment dedikeret til at studere atomlimet, igen ved hjælp af Cebafs fotonbjælke med gluex-apparatet.
“Forestil dig, hvad vi kunne gøre, hvis vi havde 100 dage med dedikeret acceleratortid til virkelig at studere denne reaktion,” sagde Hen. “Vi udfører nu det meget hårde arbejde med at kortlægge grænsen for den stærke atomkraft med håb om, at en dag – måske ikke i vores levetid – er menneskelig forbedret viden muliggjort bedre teknologi og mere bæredygtige strømkilder.”
Disse resultater kan også styre Gluon-eksperimenter ved den kommende elektron-ion-collider (EIC), der planlægger at undersøge gluoner yderligere.
“Vi vil gerne lære om dette problem og have et godt greb om, hvad der foregår, og hvor vi skal se, før denne maskine tænder,” sagde Schmidt.