3-D billeddannelse af smagsindholdet i nukleonet

Jefferson Lab Hall A Collaboration, i et eksperiment ledet af forskere ved Faculté des Sciences de Monastir i Tunesien, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay i Frankrig og Old Dominion University i USA, har for nylig samlet de første eksperimentelle observationer af dybt virtuel Compton-spredning (DVCS) i neutroner. Deres eksperiment, hvis resultater blev offentliggjort i Naturfysik , var motiveret af generaliserede partonfordelinger (GPD'er), en nyligt udviklet teoretisk ramme, der beskriver nukleonens indre dynamik (proton eller neutron) i form af kvarker og gluoner. DVCS er den enkleste proces, der involverer GPD'er. Det består af spredning af en elektron fra en nukleon og emission af en højenergifoton, mens nukleonen forbliver intakt.

"Protoner og neutroner består af bølger af kvarker og gluoner, der er begrænset til et rum på cirka 100, 000 gange mindre end størrelsen af ​​et atom, " Prof. Charles Hyde, en forsker ved Old Dominion University i Virginia, fortalte Phys.org. "Dette papir, som følge af arbejde i Jefferson Labs Hall A, kan beskrives som at ramme en proton eller neutron med en højenergielektron, og derefter detektere en udsendt gammastråle for at 'tage-et-billede' af kvarkbølgerne."

I deres arbejde, Hyde og hans kolleger demonstrerede en ny teknik til separat at løse den rumlige fordeling af op- og nedkvarker af bestemte bølgelængder (dvs. afstand fra kam til kam), mens man også måler forskydningen mellem bølgetoppene af op- og ned-kvarker. Ved at bruge denne teknik, de var i stand til at samle den første eksperimentelle observation af DVCS i neutroner.

"At studere dybt virtuel Compton-spredning (DVCS) fra neutronen kom som en naturlig forlængelse af undersøgelser af protonen, "Dr. Carlos Munoz Camacho, forsker ved Institut de Physique Nucléaire d'Orsay i Frankrig, fortalte Phys.org. "DVCS kan fortælle os om den tværgående position og det længdegående momentum af kvarker inde i nukleonen. DVCS-eksperimenter på protonen alene kan ikke fortælle, hvilken smag af kvark fotonen spreder fra."

Da intet neutronmål er helt rent, eksperimentelt at studere DVCS fra neutronen kan være meget udfordrende. Ved at udføre DVCS fra neutronen og kombinere resultaterne med dem, der er indsamlet i tidligere eksperimenter på protoner, forskerne var i stand til uafhængigt at kortlægge positionen og momenta af op- og nedkvarker inde i nukleonet.

I deres eksperimenter, forskerne besluttede at bruge et deuterium-mål, en kerne dannet af en proton og en neutron, ramt af en 6GeV polariseret elektronstråle. Denne stråle blev leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) i Newport News, Virginia.

"Vi målte de spredte elektroner og de energiske fotoner udsendt under reaktionen ved hjælp af højpræcisionsdetektorer, "Dr. Meriem Benali, der for nylig opnåede sin ph.d. fra Faculté des Sciences de Monastir i Tunesien, fortalte Phys.org. "Rekylneutronen blev identificeret ved hjælp af en teknik kaldet energi-momentum bevaring."

Forskerne sammenlignede de data, de indsamlede i deres eksperiment om deuteriumkernen, med data indsamlet i fortiden ved hjælp af brintmål (dvs. en kerne med kun én proton). Dette gjorde det muligt for dem at identificere sjældne DVCS-hændelser, der forekommer i neutroner, at bestemme bidragene fra op- og nedkvarkerne separat.

"Vores resultater beviser den eksperimentelle gennemførlighed af neutron-DVCS-målinger, som er meget komplementære til protoner, "Dr. Malek Mazouz, professor ved Faculté des Sciences de Monastir i Tunesien, fortalte Phys.org. "Da neutronen har et andet kvarksmagsindhold end protonen, kombinationen af ​​neutron- og protonmålinger tillod os, for første gang, at eksperimentelt studere GPD'erne på kvarkniveau."

DVCS er en vanskelig proces at måle, især fra en neutron. Da en neutron ikke bærer nogen netto elektrisk ladning, dens sandsynlighed for at interagere med elektroner er meget mindre end en protons.

Det såkaldte A-samarbejde blev muliggjort af flere tekniske fremskridt, inklusive den intense stråle af elektroner leveret af JLab og højpræcisionsdetektorer. For at sikre dens succes, forskerne overvågede kalibreringen af ​​detektorerne med ekstrem omhu i de adskillige måneder, hvor deres eksperiment fandt sted.

"Protoner og neutroner er som snurretoppe, " sagde Hyde. "Et overraskende resultat af vores undersøgelse er, at ved at bruge hele energiområdet for Jefferson Lab-acceleratoren, målingerne kunne også skelne, hvordan fordelingen af ​​kvarker i protonen og neutronen ændrer sig med orienteringen af ​​protonen eller neutronspin."

Dette team af forskere var det første, der med succes observerede DVCS-processen fra neutronen, hvilket er en vigtig bedrift. Ved at tilføje en række begrænsninger til GPD-modeller, deres resultater kunne hjælpe med at besvare en række grundlæggende spørgsmål, for eksempel afsløring af oprindelsen af ​​nukleonspin. Ud over, deres arbejde åbner en ny vej for eksperimentel kortlægning af uafhængige kvarksmag inde i en nukleon.

"Acceleratorfaciliteten på JLab er for nylig blevet opgraderet, og elektronstrålens energi er meget højere (11 GeV), " sagde Munoz Camacho. "Nye DVCS-eksperimenter er i gang og er planlagt for fremtiden, hvilket vil give os mulighed for at kortlægge fordelingen af ​​kvarker inde i nukleonen med større præcision. DVCS-målinger er også en af ​​de videnskabelige motiver for det fremtidige EIC-projekt (Electron-Ion Collider), planlagt til at blive bygget på Brookhaven National Laboratory (NY, OS.)."

Den nye kolliderer ved Brookhaven National Laboratory skulle snart give forskere mulighed for at studere position og momentumfordelinger af gluoner, de partikler, der holder kvarker sammen inde i protoner og neutroner. Faktisk, kvark- og gluon-billeddannelse er en nøglekomponent i det videnskabelige program for udviklingen af ​​den nye elektron-ion-kollider, som for nylig blev annonceret af det amerikanske energiministerium.

© 2020 Science X Network