Kernen – kommer snart i 3D

Læger har længe brugt CT-scanninger til at få 3D-billeder af den menneskelige krops indre funktion. Nu, fysikere arbejder på at få deres første CT-scanninger af kernens indre funktion. En måling af kvarker i heliumkerner viser, at 3D-billeddannelse af kernens indre struktur nu er mulig.

Nathan Baltzell er en postdoc forsker ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Va. Han siger, at denne vellykkede måling er et af de første skridt hen imod billeddannelse af kerner på en ny måde.

"Det er en proof-of-princip-måling, der åbner et nyt felt - billeddannelse af nuklear struktur i tre dimensioner med GPD-tomografi, " han siger.

Han forklarer, at GPD'er, eller generaliserede partonfordelinger, skabe en ramme, der kombineret med eksperimentelle resultater, giver kernefysikere mulighed for at færdiggøre en 3D-gengivelse af byggestenene i subatomære partikler, såsom protonen, neutron, og nu, selv kernen.

GPD'er anvendes allerede til 3-D billeddannelsesundersøgelser af protoner og neutroner på Jefferson Lab. Disse undersøgelser hjælper forskere med at forstå, hvordan kvarker og gluoner bygger protoner og neutroner. Nu, Baltzell og hans kolleger ønsker at åbne et nyt vindue ind i kernens struktur ved at udvide denne GPD-tomografiteknik til kerner.

"Vi har lavet den slags undersøgelser af kvarker og gluoner inde i protoner og neutroner i et stykke tid, " siger han. "Men i en kerne, hvor du har flere neutroner og protoner sammen... Vi ved ikke helt, hvordan kvarker og gluoners adfærd ændrer sig, og hvordan de bevæger sig forskelligt sammen, når du sætter dem i en kerne."

Eksperimentet blev udført i 2009 på Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet. I det, elektroner blev strålet ind i kernerne af helium-4 atomer.

"Vi startede med helium-4 som vores principbevis for denne undersøgelse, " siger Baltzell. "Vi valgte helium-4, fordi det er en let kerne, relativt tæt, og spinfri. Disse karakteristika gør det eksperimentelt attraktivt og den teoretiske fortolkning meget enklere."

Eksperimentatorerne var interesserede i de omkring 3, 200 begivenheder, de registrerede af elektronerne, der interagerer med individuelle kvarker inde i kernerne. For hver af disse begivenheder, den udgående elektron, heliumkernen og en foton afgivet af den enkelte kvark blev alle registreret.

"For at foretage en præcis måling som denne, du vil måle alt, hvad der kommer ud. Det er første gang, vi målte alle partiklerne i den endelige tilstand, " tilføjer Baltzell.

Resultatet af eksperimentet blev offentliggjort sidste efterår i Fysisk gennemgangsbreve .

Nu hvor forskerne har vist, at denne teknik er mulig, samarbejdet tager det næste skridt for at fortsætte disse undersøgelser med de nye muligheder, som den opgraderede accelerator og eksperimentelle udstyr på Jefferson Lab giver. Et nyt eksperiment er allerede planlagt til at begynde den lange proces med faktisk at komponere det 3-D billede af den interne kvark-gluon struktur af helium-4 kernen.