Teoretisk arbejde peger på, at den fremtidige Electron Ion Collider kan bruges til at måle formen på atomkerner

Forskere har udviklet en ny måde at studere formerne på atomkerner og deres indre byggesten. Metoden bygger på modellering af produktionen af ​​visse partikler fra højenergikollisioner af elektroner med nukleare mål. Sådanne kollisioner vil finde sted ved den fremtidige Electron Ion Collider (EIC). Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

Disse resultater viser, at kollisioner, der udelukkende producerer enkelte mesoner (en partikel lavet af en kvark og antikvark) giver indsigt i kernens storskalastruktur, for eksempel dens størrelse og form. Dette vil hjælpe med at afsløre, hvor meget kernen ligner en cigar eller en pandekage. Mesoner med højere momentum kan afsløre nuklear struktur på kortere længdeskalaer, herunder arrangementet af kvarker og gluoner i protoner og neutroner.

Dette arbejde tyder på, at undersøgelse af mesoner produceret i EIC-kollisioner vil give ny indsigt i strukturen af ​​atomkerner. Denne metode adskiller sig fra traditionelle metoder såsom at kollidere to kerner ved relativt lav energi og slå en neutron eller proton ud, eller exciterende kerner i et elektromagnetisk felt.

Disse traditionelle metoder er følsomme over for fordelingen af ​​elektrisk ladning i kerner. Men den nye metode giver indsigt i fordelingen af ​​gluoner, de partikler, der holder kvarkerne sammen, der udgør disse større nukleare byggesten. Dette gør metoden til en dybere form for "røntgensyn" for atomer.

Dette arbejde af teoretikere ved Brookhaven National Laboratory, University of Jyvaskyla i Finland og Wayne State University giver en teoretisk ramme for at studere nuklear struktur på det fremtidige EIC. EIC er en state-of-the-art kernefysisk forskningsfacilitet, der bygges på Brookhaven Lab.

Forskningen viser, at EIC-kollisioner, der udelukkende producerer enkeltvektormesoner, vil være følsomme over for den detaljerede struktur af det nukleare mål. I disse kollisioner kan målet forblive intakt eller bryde op. Når det går i stykker, er tværsnittet, som er et mål for sandsynligheden for, at processen vil finde sted, følsomt over for udsving i målet. Disse kan være drevet af positionsudsving for neutronerne og protonerne. Det nye arbejde viser, at når målet deformeres, ændres disse udsving betydeligt, hvilket ændrer det målte tværsnit.

Fordi målingerne udføres ved meget højere kollisionsenergi end traditionelle kernestruktureksperimenter, er vekselvirkningerne følsomme over for gluonfordelingerne inde i kernens protoner og neutroner.

Måling af gluonfordelinger inde i kernen, snarere end fordelingen af ​​elektrisk ladning, vil give ny indsigt i, hvordan disse to fordelinger adskiller sig, og hvordan gluonfordelingen afhænger af den energi, der bruges til at foretage målingen.

Denne teknik åbner en ny retning for forskning på EIC og kan føre til vigtig information, der supplerer information fra traditionelle nukleare struktureksperimenter. Det vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan nukleare former udvikler sig med energi og give ny information om nuklear struktur, som tidligere var utilgængelig.

Flere oplysninger: Heikki Mäntysaari et al., Multiscale Imaging of Nuclear Deformation at the Electron-Ion Collider, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.062301

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Brookhaven National Laboratory