Het eerste experimentele resultaat is gepubliceerd van de onlangs opgewaardeerde Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie. Het resultaat toont de haalbaarheid aan van het detecteren van een potentiële nieuwe vorm van materie om te bestuderen waarom quarks nooit geïsoleerd worden gevonden.

De 12 GeV CEBAF-upgrade is $ 338 miljoen, meerjarig project om de oorspronkelijke operationele energie van CEBAF te verdrievoudigen voor het onderzoeken van de quarkstructuur van de atoomkern. Het grootste deel van de upgrade is voltooid en zal in 2017 worden afgerond.

Wetenschappers hebben de experimentele apparatuur rigoureus in gebruik genomen om zich voor te bereiden op een nieuw tijdperk van nucleaire fysica-experimenten. Deze activiteiten hebben al geleid tot het eerste wetenschappelijke resultaat, die afkomstig is van het Gluonic Excitations Experiment. GlueX doet onderzoek naar de sterke kracht, welke lijmen er toe doen, door te zoeken naar hybride mesonen.

Volgens Curtis Meyer, een professor in de natuurkunde aan de Carnegie Mellon University en woordvoerder van het GlueX-experiment in het Jefferson Lab, deze hybride mesonen zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als gewone protonen en neutronen, die quarks zijn die aan elkaar zijn gebonden door de "lijm" van de sterke kracht. Maar in tegenstelling tot gewone mesonen, de lijm in hybride mesonen gedraagt ​​zich anders.

"Het basisidee is dat een meson een quark en een antiquark is die samengebonden zijn, en we begrijpen dat de lijm die bij elkaar houdt. En die lijm manifesteert zich als een veld tussen de quarks. Een hybride meson is er een waarbij dat sterke gluonisch veld wordt opgewekt, ’ legt Meijer uit.

Hij zegt dat de productie van deze hybride mesonen kernfysici in staat stelt om deeltjes te bestuderen waarin het sterke gluonische veld direct bijdraagt ​​aan hun eigenschappen. De hybride mesonen kunnen uiteindelijk een venster bieden op hoe subatomaire deeltjes worden gebouwd door de sterke kracht, evenals "quark-opsluiting" - waarom er nooit een quark alleen is gevonden.

"We hopen aan te tonen dat dit "opgewonden" gluonisch veld een belangrijk bestanddeel van materie is. Dat is iets dat nog niet is waargenomen in iets dat we tot nu toe hebben gezien. Dus, In zekere zin, het is een nieuw type hadronische materie die nog niet is waargenomen, " hij zegt.

In dit eerste resultaat gegevens werden verzameld over een periode van twee weken na de inbedrijfstelling van de apparatuur in het voorjaar van 2016. Het experiment produceerde twee gewone mesonen, de neutrale pion en de eta, en de productiemechanismen van deze twee deeltjes werden zorgvuldig bestudeerd.

Het experiment maakt gebruik van de volledige energie, 12 GeV elektronenstraal geproduceerd door de CEBAF-versneller en afgeleverd in het nieuwe Experimental Hall D-complex. Daar, de 12 GeV-straal wordt omgezet in een eerste in zijn soort 9 GeV-fotonenstraal.

"De fotonen gaan door ons vloeibare waterstofdoel. Sommigen van hen zullen een interactie aangaan met een proton in dat doel, er wordt iets uitgewisseld tussen het foton en het proton, en iets wordt eruit gegooid - een meson, " legt Meyer uit. "In deze publicatie werd gekeken naar enkele van de eenvoudigste mesonen die je zou kunnen uitschoppen. Maar het is hetzelfde, basisproductiemechanisme dat de meeste van onze reacties zullen volgen."

Het resultaat werd gepubliceerd als Rapid Communication in het aprilnummer van: Fysieke beoordeling C . Het toonde aan dat de lineaire polarisatie van de fotonenbundel belangrijke informatie verschaft door mogelijke mesonproductiemechanismen uit te sluiten.

"Het is niet zozeer dat de deeltjes die we maakten interessant waren, maar hoe ze werden geproduceerd:leren welke reacties belangrijk waren bij het maken ervan, ' zegt Meijer.

De volgende stap voor de samenwerking is verdere analyse van reeds verzamelde gegevens en voorbereidingen voor de volgende experimentele run in het najaar.

"Ik weet zeker dat we al hybride mesonen hebben geproduceerd, we hebben gewoon nog niet genoeg gegevens om ze te gaan zoeken, "zegt Meyer. "Er zijn een aantal stappen die we doorlopen om de detector en onze analyse te begrijpen. We doen nu het grondwerk, zodat we erop kunnen vertrouwen dat we de dingen goed genoeg begrijpen zodat we de resultaten die we in de toekomst zullen behalen, kunnen valideren."

"Deze nieuwe experimentele faciliteit - Hall D - is gebouwd door toegewijde inspanningen van het Jefferson Lab-personeel en de GlueX-samenwerking, " zegt Eugene Chudakov, Groepsleider Hal D. "Het is mooi om te zien dat alle apparatuur, inclusief complexe deeltjesdetectoren, werkt zoals gepland, en het opwindende wetenschappelijke programma is met succes begonnen."

Het 12 GeV CEBAF Upgrade-project bevindt zich in de laatste fase van de werkzaamheden en zal naar verwachting in september worden voltooid. Andere belangrijke experimentele impulsen voor de verbeterde CEBAF zijn onder meer onderzoek dat de eerste snapshots van de 3D-structuur van protonen en neutronen mogelijk zal maken, gedetailleerde verkenningen van de interne dynamiek en quark-gluonstructuur van kernen, en testen van fundamentele theorieën over materie.