gluonen, de lijmachtige deeltjes die gewoonlijk subatomaire quarks binden in de protonen en neutronen waaruit atoomkernen bestaan, lijken een belangrijke rol te spelen bij het vaststellen van belangrijke eigenschappen van materie. Maar op dit moment, niemand kan zien hoe gluonen zijn verdeeld binnen individuele protonen en kernen. Recente experimenten in Brookhaven National Lab en het European Centre for Nuclear Research (CERN) suggereren dat de rangschikking van deze deeltjes binnen een proton sterk fluctueert. Dit betekent dat terwijl gemiddeld, een proton is bijna bolvormig, als we op tijd snapshots van een proton zouden maken, elk van hen zou er dramatisch anders uitzien. Kerntheoretici van Brookhaven hebben een model van gluonfluctuaties ontwikkeld dat consistent is met eerdere metingen. Het model stelt hen in staat om de nieuwe gegevens van experimenten met nucleaire botsingen te interpreteren als snapshots van hoe een proton er op een bepaald moment in de tijd echt uitziet.

Kernfysici willen de eigenschappen bestuderen van de nucleaire materie in de kern en hoe deze wordt veranderd door botsingen met hoge energie. Hiervoor meten ze de patronen van deeltjes die wegvliegen bij botsingen van protonen met zware kernen in deeltjesversnellers. Deze versnellers omvatten de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven National Laboratory en de Large Hadron Collider (LHC) in het Europese CERN-laboratorium. Om meer over de nucleaire materie te begrijpen, moeten ze weten hoe het proton eruitzag toen de botsing plaatsvond. Bij experimenten in deze faciliteiten, waar deeltjes worden versneld tot hoge energieën, de gluonen zijn virtuele deeltjes die continu splitsen en recombineren, in wezen flikkerend in en uit het bestaan ​​​​als het licht van vuurvliegjes die aan en uit knipperen in de nachtelijke hemel. Omdat wetenschappers deze flikkering niet direct kunnen zien, ze hebben een model nodig dat het fluctuerende gedrag nauwkeurig beschrijft. Door het flikkeren te begrijpen, kunnen natuurkundigen de resultaten van deze experimenten interpreteren om de interne structuur van protonen beter te begrijpen en onze wereld beter te verklaren.

Experimentele resultaten van RHIC en de LHC suggereren dat protonen veel complexer zijn dan een eenvoudige rangschikking van drie quarks die bij elkaar worden gehouden door gluonen. Om te begrijpen hoe protonen op elkaar inwerken wanneer ze botsen met grotere kernen, moet je de geometrie van het proton kennen vlak voor de botsing - of het nu rond of meer onregelmatig is, bijvoorbeeld. Het onderzoeken van de interne structuur van het proton is ook een fundamentele onderzoeksinspanning voor kernfysici.

Terwijl wetenschappers weten hoe groot de gemiddelde gluondichtheid is in een proton, ze weten niet precies waar de gluonen zich in het grotere deeltje bevinden of hoe groot de schommelingen in vorm en gluonverdeling kunnen zijn. Zonder het vermogen om in het proton te kijken, de wetenschappers ontwikkelden een wiskundig model om een ​​verscheidenheid aan arrangementen van gluonen weer te geven. De wetenschappers testten het model vervolgens door de voorspellingen te vergelijken met experimentele gegevens van een versneller in Duitsland. Ze ontdekten dat het opnemen van een hoge mate van gluonfluctuaties in hun model het beste bij de gegevens paste. De wetenschappers willen deze kennis nu toepassen op de proton-kernbotsingen bij RHIC en de LHC. Als dit model deze experimenten met succes kan beschrijven, wetenschappers zullen in staat zijn om enkele belangrijke waarnemingen uit de experimenten te gebruiken als metingen van de protonvorm op het moment van botsing.