Mere end summen af ​​dens dele:ATLAS -eksperimentet kigger inde i protonen

Opdaget for næsten 100 år siden af ​​Ernest Rutherford, protonen var en af ​​de første partikler, der blev undersøgt i dybden. Men der er stadig meget om det, der stadig er et mysterium. Hvor kommer dens masse og spin fra? Hvad er det lavet af? For at besvare disse spørgsmål, fysikere ved ATLAS -eksperimentet bruger "stråler" af partikler udsendt af Large Hadron Collider (LHC) som forstørrelsesglas til at undersøge protonens indre struktur.

Protonstrukturen og dens dynamik er beskrevet af teorien om stærke interaktioner, kvantekromodynamik (QCD). Det skildrer protonen (og andre hadroner) som et system af elementarpartikler, i dette tilfælde kvarker og gluoner. QCD forklarer, hvordan disse kvarker og gluoner interagerer, og følgelig, hvad der kommer ud af proton-protonkollisioner med høj energi ved LHC.

Et af de bemærkelsesværdige træk ved QCD er, at kvarker og gluoner ikke kan observeres som frie partikler. I stedet, de binder sig altid til dannelse af hadroner. QCD forudsiger også, at "jetfly" af hadroner produceret i LHC -kollisioner vil flyve væk fra interaktionspunktet i et par forskellige retninger. Disse retninger svarer til de originale kvarker og gluoner.

Sandsynligheden for at observere en jet med visse kinematiske egenskaber (kaldet et "tværsnit") kan beregnes i QCD. Der er en større sandsynlighed for at producere en jet med et lavt tværgående momentum end at producere en jet med et højt tværgående momentum.

ATLAS -detektoren måler jetfly på tværs af en lang række tværgående momenta, med en produktionshastighed, der varierer med mere end 10 størrelsesordener. Milliarder jetfly med en tværgående momentum på 100 GeV er blevet opdaget, alligevel har vi indtil nu kun set et par 2 TeV -jetfly. En bemærkelsesværdig succes med QCD er, at den er i stand til at beskrive denne brede vifte af energier så præcist!

I et nyligt udgivet papir, ATLAS -fysikere tællede, hvor mange jetfly af et givet tværgående momentum der var i 2012 -dataene. Dette blev derefter sammenlignet med flere teoretiske forudsigelser og fundet at være enig. Disse resultater forventes at begrænse parametre for protonstrukturen.