Nye dybe uelastiske spredningsforsøg måler to spejlkerner

Forskere holder et "spejl" op for protoner og neutroner for at lære mere om de partikler, der bygger vores synlige univers. MARATHON-eksperimentet, udført ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility, har fået adgang til nye detaljer om disse partiklers strukturer ved at sammenligne de såkaldte spejlkerner, helium-3 og triton. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Physical Review Letters .

De fundamentale partikler, der danner det meste af det stof, vi ser i universet – kvarker og gluoner – er begravet dybt inde i protonerne og neutronerne, de nukleoner, der udgør atomkerner. Eksistensen af ​​kvarker og gluoner blev først bekræftet for et halvt århundrede siden i nobelprisvindende eksperimenter udført på DOE's Stanford Linear Accelerator Center (nu kendt som SLAC National Accelerator Laboratory).

Disse første af deres slags eksperimenter introducerede æraen med dyb uelastisk spredning. Denne eksperimentelle metode bruger højenergielektroner, der bevæger sig dybt inde i protoner og neutroner for at sondere kvarkerne og gluonerne der.

"Når vi siger dyb uelastisk spredning, mener vi, at kerner bombarderet med elektroner i strålen brydes op øjeblikkeligt og afslører derved nukleonerne inde i dem, når de spredte elektroner fanges med avancerede partikeldetektionssystemer," sagde Gerassimos ( Makis) Petratos, professor ved Kent State University og talsmand og kontaktperson for MARATHON-eksperimentet.

De enorme partikeldetektorsystemer, der opsamler elektronerne, der kommer ud fra disse kollisioner, måler deres momenta - en mængde, der inkluderer elektronernes masse og hastighed.

Siden de første eksperimenter for fem årtier siden, er dybe uelastiske spredningsforsøg blevet udført rundt om i verden på forskellige laboratorier. Disse eksperimenter har givet næring til kernefysikernes forståelse af kvarkernes og gluonernes rolle i protonernes og neutronernes struktur. I dag fortsætter eksperimenter med at finjustere denne proces for at pirre stadig mere detaljeret information.

I det nyligt afsluttede MARATHON-eksperiment sammenlignede kernefysikere resultaterne af dybe uelastiske spredningsforsøg for første gang i to spejlkerner for at lære om deres strukturer. Fysikerne valgte at fokusere på kernerne af helium-3 og tritium, som er en isotop af brint. Mens helium-3 har to protoner og en neutron, har tritium to neutroner og en proton. Hvis du kunne "spejle"-transformere helium-3 ved at omdanne alle protoner til neutroner og neutroner til protoner, ville resultatet være tritium. Det er derfor, de er kendt som spejlkerner.

"Vi brugte det enkleste spejlkernesystem, der findes, tritium og helium-3, og det er derfor, dette system er så interessant," sagde David Meekins, en Jefferson Lab-medarbejder og en medtalsmand for MARATHON-eksperimentet.

"Det viser sig, at hvis vi måler forholdet mellem tværsnit i disse to kerner, kan vi få adgang til protonernes strukturfunktioner i forhold til neutroner. Disse to størrelser kan være relateret til fordelingen af ​​op- og nedkvarker inde i kernerne." sagde Petratos.

MARATHON-eksperimentet blev først udtænkt på en sommerworkshop i 1999 og blev endelig udført i 2018 i Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE-brugerfacilitet. De mere end 130 medlemmer af MARATHON's eksperimentelle samarbejde overvandt mange forhindringer for at udføre eksperimentet.

For eksempel krævede MARATHON de højenergielektroner, der blev muliggjort af 12 GeV CEBAF Upgrade Project, der blev afsluttet i 2017, samt et specialiseret målsystem for tritium.

"For dette individuelle eksperiment var målet klart den største udfordring. Da tritium er en radioaktiv gas, var vi nødt til at sikre sikkerhed over alt," forklarede Meekins. "Det er en del af laboratoriets mission:Der er intet så vigtigt, at vi kan ofre sikkerheden."

Eksperimentet sendte 10,59 GeV (milliard elektron-volt) elektroner ind i fire forskellige mål i forsøgshal A. Målene omfattede helium-3 og tre isotoper af brint, inklusive tritium. De udgående elektroner blev opsamlet og målt med hallens venstre og højre højopløsningsspektrometre.

Når dataindsamlingen var afsluttet, arbejdede samarbejdet på omhyggeligt at analysere dataene. Den endelige publikation inkluderede de originale data for at give andre grupper mulighed for at bruge de modelfrie data i deres egne analyser. Den tilbød også en analyse ledet af Petratos, der er baseret på en teoretisk model med minimale rettelser.

"Det, vi gerne ville gøre det klart, er, at det er den måling, vi lavede, det er sådan, vi gjorde det, det er den videnskabelige udvinding fra målingen, og det er sådan, vi gjorde det," forklarer Meekins. "Vi behøver ikke bekymre os om at favorisere en model frem for en anden – alle kan tage dataene og anvende dem."

Ud over at give en præcis bestemmelse af forholdet mellem proton/neutronstrukturens funktionsforhold inkluderer dataene også højere elektronmomentamålinger af disse spejlkerner, end der var tilgængelige før. Dette datasæt af høj kvalitet åbner også en dør til yderligere detaljerede analyser til besvarelse af andre spørgsmål inden for kernefysik, såsom hvorfor kvarker er fordelt anderledes inde i kerner sammenlignet med frie protoner og neutroner (et fænomen kaldet EMC-effekten) og andre undersøgelser af strukturerne af partikler i kerner.

Under drøftelsen af ​​resultaterne var MARATHON-talsmændene hurtige til at kreditere samarbejdsmedlemmernes hårde arbejde for de endelige resultater.

"Succesen med dette eksperiment skyldes den fremragende gruppe af mennesker, der deltog i eksperimentet, og også den støtte, vi havde fra Jefferson Lab," sagde Mina Katramatou, professor ved Kent State University og en medtalsmand for MARATHON-eksperimentet. "Vi havde også en fantastisk gruppe af unge fysikere, der arbejdede på dette eksperiment, herunder postdoc-forskere i tidlig karriere og kandidatstuderende."

"Der var fem kandidatstuderende, der fik deres afhandlingsforskning fra disse data," bekræftede Meekins. "Og det er gode data, vi gjorde et godt stykke arbejde, og det var svært at gøre." + Udforsk yderligere

Marathon-eksperiment afslører særheder ved kvarker