Fysikforskere bryder ny vej, udforske ukendte energiområder

Florida State University-fysikere bruger foton-proton-kollisioner til at fange partikler i et uudforsket energiområde, giver ny indsigt i det stof, der binder dele af kernen sammen.

"Vi vil ikke bare forstå kernen, men alt, der udgør kernen, " sagde FSU professor i fysik Paul Eugenio. "Vi arbejder på at forstå de partikler og kræfter, der udgør vores verden."

FSU's hadroniske fysikgruppe er et førende medlem af GlueX-samarbejdet ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Gruppen kørte meget sofistikerede eksperimenter døgnet rundt i måneder ad gangen over flere år, der startede i 2016. Deres hovedmål er at pirre ud af ny information om det materiale - kaldet det gluoniske felt - der binder kvarker sammen. Kvarker er grundlæggende partikler, der skaber protoner og neutroner.

I et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , den hadroniske fysikgruppe ved Florida State University og deres samarbejdspartnere udarbejdede de første målinger nogensinde af en subatomær partikel – kaldet J/psi-partikel – skabt ud fra energien i foton-proton-kollisioner.

"Det er virkelig fedt at se, " sagde adjunkt i fysik Sean Dobbs. "Dette åbner en ny grænse for fysik."

Når forskere udfører disse eksperimenter, de sprænger en fotonstråle ind i GlueX-spektrometeret, hvor den passerer gennem en beholder med flydende brint og reagerer med protonerne i kernen af ​​disse brintatomer. Derfra, detektorerne måler de partikler, der dannes ved disse kollisioner, som gør det muligt for fysikere at rekonstruere detaljerne om kollisionen og lære mere om de skabte partikler.

Dobbs sammenlignede det med et bilvrag. Du ser måske ikke vraget ske, men du ser resultatet og kan arbejde baglæns. I dette tilfælde, forskere indsamlede omkring en til to millioner gigabyte data om året gennem denne proces for at prøve at samle puslespillet.

J/psi-partiklen er sammensat af et par kvarker - en charme-kvark og en anti-charm-kvark. Ved måling af J/psi -partiklen i disse kollisioner, videnskabsmænd kan også lede efter produktionen af ​​andre charme-kvark-holdige subatomære partikler.

Målingerne blev foretaget ved en energitærskel, hvor tidligere undersøgelser så på produktionsniveauer, hvilket betyder, at den var mere følsom over for fordelingen af ​​gluonerne i protonen og deres bidrag til protonmassen.

Forskere fandt en meget større produktion af J/psi -partikler end forventet, hvilket betyder, at denne gluoniske struktur er en stor bidragyder til massen af ​​protonstrukturen, og dermed kernen som helhed. Disse indledende målinger tyder på, at gluonerne direkte bidrager med mere end 80 procent af protonens masse. Yderligere målinger af disse reaktioner, der i øjeblikket er i gang, vil give mere indsigt i, hvordan gluonerne fordeles rundt om nukleonen.

Disse målinger satte også spørgsmålstegn ved observationer fra eksperimenter på Large Hadron Collider, en partikeldetektor på CERN, den europæiske organisation for atomforskning. Forskere der skimte kort, hvad de kalder pentaquarks - kortlivede partikler lavet af fem kvarker.

FSU -fysikere så ikke specifikt pentaquarks i deres data, hvilket har udelukket flere modeller, som forsøger at beskrive strukturen af ​​disse pentaquarks. Yderligere målinger i gang forventes at give et mere endegyldigt svar på, hvordan de fem kvarker er arrangeret i disse partikler.