Fysikere kaster lys over indre detaljer og opdeling af simpel kerne

Forskere har fundet en ny måde at "se" inde i de enkleste atomkerner for bedre at forstå den "lim", der holder stoffets byggesten sammen. Resultaterne er netop offentliggjort i Physical Review Letters , kommer fra kollisioner af fotoner (lyspartikler) med deuteroner, de simpleste atomkerner (lavet af kun én proton bundet til én neutron).

Kollisionerne fandt sted på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory. Forskere fra hele verden analyserer data fra RHIC's subatomare smashups for at få indsigt i de partikler og kræfter, der opbygger det synlige stof i vores verden.

I disse særlige kollisioner virkede fotonerne lidt som en røntgenstråle for at give det første glimt af, hvordan partikler kaldet gluoner er arrangeret i deuteronet.

"Gluonen er meget mystisk," sagde Brookhaven Lab-fysiker Zhoudunming Tu, som ledede dette projekt for RHIC's STAR Collaboration. Gluoner, som "bærere" af den stærke kraft*, er den lim, der binder kvarker, de indre byggesten af ​​protoner og neutroner. De holder også protoner og neutroner sammen for at danne atomkerner. "Vi ønsker at studere gluonfordelingen, fordi det er en af ​​nøglerne, der binder kvarkerne sammen. Denne måling af gluonfordelingen i en deuteron er aldrig blevet udført før."

Fordi foton-deuteron-kollisioner nogle gange bryder deuteronerne fra hinanden, kan kollisionerne desuden hjælpe videnskabsmænd med at forstå denne proces.

"Måling af deuteronets opdeling fortæller os meget om de grundlæggende mekanismer, der holder disse partikler sammen i kerner generelt," sagde Tu.

Forståelse af gluoner og deres rolle i nukleart stof vil være et centralt fokus i forskningen på Electron-Ion Collider (EIC), en fremtidig kernefysisk forskningsfacilitet i planlægningsstadierne ved Brookhaven Lab. På EIC vil fysikere bruge fotoner genereret af elektroner til at undersøge gluonfordelinger inde i protoner og kerner, såvel som den kraft, der holder kerner sammen. Men Tu, som har udviklet planer for forskning på EIC, indså, at han måske kunne få nogle spor ved at se på eksisterende data fra RHIC's 2016-eksperimenter på deuteroner.

"Motivationen for at studere deuteronet er, fordi den er enkel, men den har stadig alt, hvad en kompleks kerne har," forklarede Tu. "Vi ønsker at studere det enkleste tilfælde af en kerne for at forstå disse dynamikker - herunder hvordan de ændrer sig, når du bevæger dig fra en simpel proton til de mere komplekse kerner, vi vil studere på EIC."

Så han begyndte at gennemsøge data indsamlet af STAR fra hundredvis af millioner af kollisioner i 2016.

"Dataene var der. Ingen havde undersøgt deuteronens gluondistribution, før jeg startede, da jeg var Goldhaber Fellow i 2018. Jeg havde lige sluttet mig til Brookhaven, og jeg fandt denne forbindelse til EIC."

Lyset skinner

RHIC kan accelerere en lang række ioner - atomkerner strippet for deres elektroner. Den kan endda sende stråler af to forskellige slags partikler, der suser i modsatte retninger gennem tvillingringene på dens 2,4-mile cirkulære racerbane med næsten lysets hastighed. Men det kan ikke accelerere fotoner direkte.

Men takket være fysik, der for nylig er dækket her, udsender hurtigt bevægende partikler med en masse positiv ladning deres eget lys. Så i 2016, da RHIC kolliderede deuteroner med højt ladede guldioner, var disse hurtige guldioner omgivet af skyer af fotoner. Ved at identificere "ultra-perifere kollisioner" - hvor deuteronet bare kigger efter en guldions sky af fotoner - indså Tu, at han kunne studere fotoner, der interagerer med deuteroner, for at få et glimt indeni.

Det afslørende tegn på disse interaktioner er produktionen af ​​en partikel kaldet J/psi, udløst af fotonen, der interagerer med gluoner inde i deuteronet.

"Jeg fandt 350 J/psi. Der er kun 350 hændelser ud af de hundredvis af millioner af kollisioner registreret af STAR-eksperimentet. Det er faktisk en meget sjælden hændelse," sagde Tu.

Selvom J/psi hurtigt henfalder, kan STAR-detektoren spore henfaldsprodukterne for at måle, hvor meget momentum der blev overført fra interaktionen. Måling af fordelingen af ​​momentumoverførsel på tværs af alle kollisioner gør det muligt for forskere at udlede gluonfordelingen.

"Der er en en-til-en forbindelse mellem momentumoverførslen ('sparket' givet til J/psi), og hvor gluonen er placeret i deuteronen," forklarede Tu. "Gluoner inde i selve kernen af ​​deuteron giver i gennemsnit et meget stort momentum kick. Gluoner på periferien giver et mindre kick. Så ser man på den overordnede momentumfordeling kan man bruge til at kortlægge gluonfordelingen i deuteron."

"Resultaterne fra vores undersøgelse har udfyldt et hul i vores forståelse af gluon-dynamikken mellem en fri proton og en tung kerne," sagde Shuai Yang, en STAR-samarbejdspartner fra South China Normal University. Yang har været en førende fysiker i brugen af ​​lys udsendt af hurtigt bevægende ioner til at studere egenskaberne af nukleart stof i ultra-perifere kerne-kerne-kollisioner ved RHIC og ved Europas Large Hadron Collider (LHC). "Dette arbejde bygger en bro, der forbinder partikelfysik og kernefysik," sagde han.

En anden førende bidragyder, William Schmidke fra Brookhaven Lab, sagde:"Faktisk har vi studeret denne proces i mange år. Men dette er det første resultat, der fortæller os gluondynamikken for både individuelle nukleoner (den samlede betegnelse for protoner og neutroner) og kernen i det samme system."

Studerer deuteron breakup

Ud over at generere en J/psi-partikel giver hver foton-gluon-interaktion også et momentumspark, der afbøjer deuteronet - eller bryder den simple kerne fra hinanden til en proton og neutron. At studere brudprocessen giver indsigt i den gluon-genererede kraft, der holder kerner sammen.

I tilfælde af et opbrud krummer den positivt ladede proton væk i RHIC-acceleratorens magnetfelt. Men den neutrale neutron bliver ved med at bevæge sig ligeud. For at fange disse "tilskuerneutroner" har STAR en detektor placeret 18 meter væk fra dens centrum lige langs strålelinjen i den ene ende.

"Denne proces er meget enkel," bemærkede Tu. "Kun én J/psi bliver produceret i midten af ​​STAR. De eneste andre partikler, der kan skabes, er fra denne deuteron-opløsning. Så hver gang du får en neutron, ved du, at dette kommer fra deuteron-opløsningen. STAR-detektoren kan utvetydigt måle denne proces ved høj energi."

Måling af, hvordan opdelingsprocessen er forbundet med en J/psi-partikel produceret via gluoninteraktion, kan hjælpe forskere med at forstå gluonernes rolle i samspillet mellem protoner og neutroner. Den viden kan være anderledes end hvad videnskabsmænd forstår om disse interaktioner ved lav energi.

"Ved høj energi 'ser' fotonen næsten intet andet end gluoner inde i deuteronet," sagde Tu. "Efter gluonerne har 'sparket' J/psi-partiklen, er hvordan dette 'spark' fører til et opbrud meget sandsynligt relateret til gluondynamikken mellem protonen og neutronen. Fordelen ved denne måling er, at vi eksperimentelt kan identificere gluon- dominerede kanal og det nukleare sammenbrud på samme tid."

Derudover bemærker Tu, at måling af neutroner produceret via nuklear breakup - almindeligvis kendt som "tilskuermærkning" - er en bred og nyttig teknik og helt sikkert vil blive brugt på den fremtidige EIC.

Men på EIC, "vil instrumenteringen være meget bedre og vil have mere dækning," forklarede han. "Vi vil være i stand til yderligere at forbedre præcisionen af ​​målinger af rumlig gluonfordeling fra lette kerner til tunge kerner. Og EIC-detektorsystemer vil fange næsten alt om kerneopløsningen, så vi kan studere endnu mere detaljeret, hvordan nukleoner interagerer med hinanden ."

Yderligere nøglebidragydere, der samarbejdede om at udføre de komplicerede dataanalyser til denne undersøgelse, omfatter Brookhaven Lab-fysikere Jaroslav Adam, Zilong Chang og Thomas Ullrich.

* Den stærke kraft er den stærkeste af de fire grundlæggende kræfter i naturen (stærk, svag, elektromagnetisk og gravitationskraft). Og i modsætning til nogen af ​​de andre kræfter bliver interaktionsstyrken større med stigende afstand. Bindingskraften mellem to kvarker i en afstand på over 10 ^-15 meter (længere end en milliontedel af en milliardtedel af en meter) er mere end 10 tons. + Udforsk yderligere

Undersøgelse af oprindelsen af ​​protonspin