Een mysterie over de structuur van protonen is een stap dichter bij de oplossing, dankzij een zeven jaar durend experiment onder leiding van onderzoekers van het MIT.

Jarenlang hebben onderzoekers de structuur van protonen - subatomaire deeltjes met een positieve lading - onderzocht door ze te bombarderen met elektronen en de intensiteit van de verstrooide elektronen onder verschillende hoeken te onderzoeken.

Op deze manier hebben ze geprobeerd te bepalen hoe de elektrische lading en magnetisatie van het proton worden verdeeld. Deze experimenten hadden onderzoekers er eerder toe gebracht aan te nemen dat de elektrische en magnetische ladingsverdelingen hetzelfde zijn, en dat ene foton - een elementair deeltje van licht - wordt uitgewisseld wanneer de protonen een interactie aangaan met de bombarderende elektronen.

Echter, begin jaren 2000, onderzoekers begonnen experimenten uit te voeren met gepolariseerde elektronenbundels, die de elastische verstrooiing van elektronen en protonen meten met behulp van de spin van de protonen en elektronen. Deze experimenten onthulden dat de verhouding van elektrische tot magnetische ladingsverdelingen dramatisch afnam met hogere energie-interacties tussen de elektronen en protonen.

Dit leidde tot de theorie dat er soms niet één maar twee fotonen werden uitgewisseld tijdens de interactie, waardoor de ongelijke ladingsverdeling. Bovendien, de theorie voorspelde dat beide deeltjes zogenaamd "hard, " of hoogenergetische fotonen.

In een poging om deze "uitwisseling van twee fotonen, " een internationaal team onder leiding van onderzoekers van het Laboratorium voor Nucleaire Wetenschap van het MIT voerde een zeven jaar durend experiment uit, bekend als OLYMPUS, aan het Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven , onthullen de onderzoekers de resultaten van dit experiment, die aangeven dat twee fotonen inderdaad worden uitgewisseld tijdens elektron-proton-interacties.

Echter, in tegenstelling tot de theoretische voorspellingen, analyse van de OLYMPUS-metingen suggereert dat, meestal, slechts één van de fotonen heeft een hoge energie, terwijl de andere inderdaad heel weinig energie moet dragen, volgens Richard Milner, een professor in de natuurkunde en lid van de Hadronic Physics Group van het Laboratory for Nuclear Science, die het experiment leidde.

"We zagen weinig of geen bewijs voor een harde uitwisseling van twee fotonen, ' zegt Milner.

Na het idee voor het experiment eind jaren 2000 te hebben voorgesteld, de groep werd in 2010 gesubsidieerd.

De onderzoekers moesten de voormalige BLAST-spectrometer demonteren - een complexe 125 kubieke meter grote detector gebaseerd op MIT - en deze naar Duitsland transporteren. waar het weer in elkaar werd gezet met enkele verbeteringen. Vervolgens voerden ze het experiment in 2012 gedurende drie maanden uit. voordat de deeltjesversneller in het laboratorium zelf uit bedrijf werd genomen en eind dat jaar werd stilgelegd.

Het experiment, die tegelijkertijd met twee andere in de VS en Rusland werd uitgevoerd, betroffen het bombarderen van de protonen met zowel negatief geladen elektronen als positief geladen positronen, en het vergelijken van het verschil tussen de twee interacties, volgens Douglas Hasell, een hoofdonderzoeker in het Laboratory for Nuclear Science en de Hadronic Physics Group aan het MIT, en een andere van de auteurs van het papier.

Het proces zal een subtiel andere meting opleveren, afhankelijk van of de protonen worden verstrooid door elektronen of positronen, zegt Hassel. "Als je een verschil ziet (in de metingen), het zou erop wijzen dat er een twee-foton effect is dat significant is."

De botsingen duurden drie maanden, en de resulterende gegevens duurden nog eens drie jaar om te analyseren, zegt Hassel.

Het verschil tussen de theoretische en experimentele resultaten betekent dat in de toekomst mogelijk verdere experimenten moeten worden uitgevoerd, bij nog hogere energieën waar het twee-fotonuitwisselingseffect naar verwachting groter zal zijn, zegt Hassel.

Het kan moeilijk zijn om hetzelfde precisieniveau te bereiken als in het OLYMPUS-experiment, echter.

"We hebben het experiment drie maanden uitgevoerd en hebben zeer nauwkeurige metingen gedaan, "zegt hij. "Je zou jaren moeten rennen om hetzelfde niveau van precisie te krijgen, tenzij de prestatie (van het experiment) kan worden verbeterd."

In de nabije toekomst, de onderzoekers zijn van plan om te zien hoe de theoretische natuurkundegemeenschap op de gegevens reageert, alvorens te beslissen over hun volgende stap, zegt Hassel.

"Het kan zijn dat ze binnen hun theoretische modellen een kleine aanpassing kunnen maken aan een detail om het allemaal in overeenstemming te brengen, en verklaar de gegevens bij zowel hogere als lagere energieën, " hij zegt.

"Dan is het aan de experimentatoren om te controleren of dat het geval is."