OLYMPUS -eksperiment kaster lys over strukturen af ​​protoner

Et mysterium om strukturen af ​​protoner er et skridt tættere på at blive løst, takket være et syvårigt eksperiment ledet af forskere ved MIT.

I mange år har forskere undersøgt strukturen af ​​protoner - subatomære partikler med en positiv ladning - ved at bombardere dem med elektroner og undersøge intensiteten af ​​de spredte elektroner i forskellige vinkler.

På denne måde har de forsøgt at bestemme, hvordan protonens elektriske ladning og magnetisering fordeles. Disse eksperimenter havde tidligere fået forskere til at antage, at de elektriske og magnetiske ladningsfordelinger er de samme, og at en foton - en elementær lyspartikel - udveksles, når protonerne interagerer med de bombarderende elektroner.

Imidlertid, i begyndelsen af ​​2000'erne, forskere begyndte at udføre eksperimenter ved hjælp af polariserede elektronstråler, som måler elektron-proton elastisk spredning ved hjælp af spin af protoner og elektroner. Disse eksperimenter afslørede, at forholdet mellem elektriske og magnetiske ladningsfordelinger faldt dramatisk med interaktioner med højere energi mellem elektroner og protoner.

Dette førte til teorien om, at ikke nogle, men to fotoner undertiden blev udvekslet under interaktionen, forårsager den ujævne ladningsfordeling. Hvad mere er, teorien forudsagde, at begge disse partikler ville være såkaldte "hårde, "eller højenergifotoner.

I et forsøg på at identificere denne "to-fotonudveksling, "et internationalt team ledet af forskere i Laboratory for Nuclear Science ved MIT udførte et syvårigt eksperiment, kendt som OLYMPUS, på den tyske elektronsynkrotron (DESY) i Hamborg.

I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , forskerne afslører resultaterne af dette eksperiment, som indikerer, at to fotoner faktisk udveksles under elektron-proton-interaktioner.

Imidlertid, i modsætning til de teoretiske forudsigelser, analyse af OLYMPUS -målingerne tyder på, at det meste af tiden, kun en af ​​fotonerne har høj energi, mens den anden faktisk må bære meget lidt energi, ifølge Richard Milner, professor i fysik og medlem af Laboratory for Nuclear Science's Hadronic Physics Group, der ledede forsøget.

"Vi så lidt, hvis ingen beviser for en hård to-fotonudveksling, "Siger Milner.

Efter at have foreslået ideen til forsøget i slutningen af ​​2000'erne, gruppen blev tildelt finansiering i 2010.

Forskerne måtte adskille det tidligere BLAST-spektrometer-en kompleks detektor på 125 kubikmeter baseret på MIT-og transportere det til Tyskland, hvor det blev samlet igen med nogle forbedringer. De udførte derefter forsøget over tre måneder i 2012, før partikelacceleratoren på laboratoriet selv blev nedlagt og lukket ved udgangen af ​​det år.

Eksperimentet, som blev udført på samme tid som to andre i USA og Rusland, involveret bombardement af protoner med både negativt ladede elektroner og positivt ladede positroner, og sammenligning af forskellen mellem de to interaktioner, ifølge Douglas Hasell, en hovedforsker ved Laboratory for Nuclear Science og Hadronic Physics Group på MIT, og en anden af ​​papirets forfattere.

Processen vil producere en subtilt forskellig måling afhængigt af om protonerne er spredt af elektroner eller positroner, Siger Hasell. "Hvis du ser en forskel (i målingerne), det ville indikere, at der er en to-fotoneffekt, der er signifikant. "

Sammenstødene blev kørt i tre måneder, og de resulterende data tog yderligere tre år at analysere, Siger Hasell.

Forskellen mellem de teoretiske og eksperimentelle resultater betyder, at yderligere forsøg muligvis skal udføres i fremtiden, ved endnu højere energier, hvor to-fotonudvekslingseffekten forventes at være større, Siger Hasell.

Det kan vise sig at være svært at opnå det samme præcisionsniveau, som nås i OLYMPUS -eksperimentet, imidlertid.

"Vi kørte forsøget i tre måneder og producerede meget præcise målinger, "siger han." Du skulle løbe i årevis for at få det samme præcisionsniveau, medmindre ydeevnen (af eksperimentet) kunne forbedres. "

I den nærmeste fremtid, forskerne planlægger at se, hvordan det teoretiske fysikfællesskab reagerer på dataene, inden de beslutter sig for deres næste trin, Siger Hasell.

"Det kan være, at de kan foretage en lille justering af en detalje inden for deres teoretiske modeller for at bringe det hele til enighed, og forklare dataene ved både højere og lavere energier, " han siger.

"Så vil det være op til eksperimenterne at kontrollere, om det er tilfældet."