Model identificerer en høj grad af udsving i gluoner som afgørende for at forklare protonstrukturen

Gluoner, de limlignende partikler, der normalt binder subatomære kvarker i protoner og neutroner, der udgør atomkerner, synes at spille en vigtig rolle i etableringen af ​​materielle nøgleegenskaber. Men lige nu, ingen kan se, hvordan gluoner fordeles inden for individuelle protoner og kerner. Nylige eksperimenter på Brookhaven National Lab og European Center for Nuclear Research (CERN) tyder på, at arrangementet af disse partikler i en proton svinger stærkt. Det betyder, at mens, gennemsnitlig, en proton er tæt på sfærisk, hvis vi skulle tage snapshots af en proton i tide, hver af dem ville se dramatisk anderledes ud. Brookhaven atomteoretikere har udviklet en model for gluonsvingninger, der er i overensstemmelse med tidligere målinger. Modellen giver dem mulighed for at fortolke de nye data fra atomkollisionsforsøg som øjebliksbilleder af, hvordan en proton virkelig ser ud på et givet tidspunkt.

Kernfysikere ønsker at studere egenskaberne af atomstoffet i kernen, og hvordan det ændres ved højenergikollisioner. For at gøre dette måler de mønstrene af partikler, der flyver ud fra kollisioner af protoner med tunge kerner i partikelkolliderer. Disse kolliderer omfatter Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory og Large Hadron Collider (LHC) på Europas CERN -laboratorium. For at forstå mere om atomspørgsmålet har de brug for at vide, hvordan protonen så ud, da kollisionen skete. I forsøg på disse faciliteter, hvor partikler accelereres til høje energier, gluonerne er virtuelle partikler, der kontinuerligt splittes og rekombineres, i det væsentlige flimrer ind og ud af eksistens som lyset af ildfluer, der blinker til og fra på nattehimlen. Fordi forskere ikke kan se dette flimmer direkte, de har brug for en model, der præcist beskriver den svingende adfærd. At forstå flimren lader fysikere fortolke resultater fra disse eksperimenter for bedre at forstå protonernes indre struktur og bedre forklare vores verden.

Eksperimentelle resultater fra RHIC og LHC antyder, at protoner er meget mere komplekse end et simpelt arrangement af tre kvarker, der holdes sammen af ​​gluoner. At forstå, hvordan protoner interagerer, når de kolliderer med større kerner, kræver kendskab til protonens geometri lige før kollisionen - uanset om den er rund eller mere uregelmæssig, for eksempel. At udforske protonens indre struktur er også en grundlæggende forskningsindsats for atomfysikere.

Mens forskere ved, hvor stor den gennemsnitlige gluontæthed er inde i en proton, de ved ikke præcist, hvor gluonerne er placeret inde i den større partikel, eller hvor store udsvingene i form og gluonfordeling kan være. Uden evnen til at se inde i protonen, forskerne udviklede en matematisk model til at repræsentere en række forskellige arrangementer af gluoner. Forskerne testede derefter modellen ved at sammenligne dens forudsigelser med eksperimentelle data fra en accelerator i Tyskland. De fandt ud af, at inklusiv en høj grad af gluonsvingninger i deres model passer bedst til dataene. Forskerne søger nu at anvende denne viden på proton-kernekollisionerne ved RHIC og LHC. Hvis denne model med succes kan beskrive disse eksperimenter, forskere vil være i stand til at bruge nogle vigtige observerbare ting fra eksperimenterne som mål for protonformen på kollisionstidspunktet.