Nieuwe bevindingen van de experimentele kernfysici van de Universiteit van Kansas, Daniel Tapia Takaki en Aleksandr (Sasha) Bylinkin zijn zojuist gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift C . Het papier gaat over het werk aan de Compact Muon Solenoid, een experiment bij de Large Hadron Collider, om het gedrag van gluonen beter te begrijpen.

Gluonen zijn elementaire deeltjes die verantwoordelijk zijn voor het "verlijmen" van quarks en anti-quarks om protonen en neutronen te vormen - dus, gluonen spelen een rol in ongeveer 98% van alle zichtbare materie in het heelal.

Eerdere experimenten met de nu ontmantelde HERA-elektronen-protonenversneller, gevonden wanneer protonen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, de dichtheid van de gluonen erin neemt zeer snel toe.

"In deze gevallen, gluonen splitsen zich in paren gluonen met lagere energieën, en dergelijke gluonen splitsen zich vervolgens, enzovoorts, " zei Tapia Takaki, Universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de KU. "Op een gegeven moment, de splitsing van gluonen in het proton bereikt een limiet waarbij de vermenigvuldiging van gluonen niet meer toeneemt. Een dergelijke toestand staat bekend als het 'kleurenglascondensaat, ' een veronderstelde fase van materie waarvan wordt gedacht dat deze bestaat in zeer hoogenergetische protonen en ook in zware kernen."

De KU-onderzoeker zei dat de meer recente experimentele resultaten van zijn team bij de Relativistic Heavy Ion Collider en LHC het bestaan ​​van een dergelijke door gluon gedomineerde toestand leken te bevestigen. De exacte omstandigheden en de precieze energie die nodig is om "gluonverzadiging" in het proton of in zware kernen waar te nemen, zijn nog niet bekend, hij zei.

"De CMS-experimentele resultaten zijn erg opwindend, nieuwe informatie geven over de gluondynamiek in het proton, " zei Victor Gonçalves, hoogleraar natuurkunde aan de Federale Universiteit van Pelotas in Brazilië, die aan de KU werkte onder een Braziliaans-VS. Hoogleraarschap gezamenlijk gegeven door de Sociedade Brasileira de Física en de American Physical Society. "De gegevens vertellen ons wat de energie- en dipoolgroottes nodig zijn om dieper in het door gluonen gedomineerde regime te komen waar niet-lineaire QCD-effecten dominant worden."

Hoewel experimenten bij de LHC de interactie van het proton met elementaire deeltjes zoals die van de late HERA-versneller niet rechtstreeks bestuderen, het is mogelijk om een ​​alternatieve methode te gebruiken om gluonverzadiging te bestuderen. Wanneer versnelde protonen (of ionen) elkaar missen, fotoninteracties vinden plaats met het proton (of het ion). Deze bijna-ongevallen worden ultraperifere botsingen (UPC's) genoemd, omdat de fotoninteracties meestal plaatsvinden wanneer de botsende deeltjes aanzienlijk van elkaar worden gescheiden.

"Het idee dat de elektrische lading van het proton of de ionen, wanneer versneld met ultra-relativistische snelheden, een bron van quasi-echte fotonen zal leveren is niet nieuw, "Zei Tapia Takaki. "Het werd voor het eerst besproken door Enrico Fermi in de late jaren 1920. Maar het is pas sinds de jaren 2000 bij de RHIC-botser en meer recentelijk bij de LHC-experimenten waar deze methode volledig is benut."

De groep van Tapia Takaki heeft een belangrijke rol gespeeld in de studie van ultraperifere botsingen van ionen en protonen bij twee instrumenten van de Large Hadron Collider, eerst bij de ALICE Collaboration en meer recentelijk met de CMS-detector.

"We hebben nu een overvloed aan interessante resultaten over ultraperifere botsingen met zware ionen bij de Large Hadron Collider van CERN, " zei Bylinkin, een geassocieerd onderzoeker in de groep. "De meeste resultaten waren gericht op geïntegreerde dwarsdoorsneden van vectormesonen en meer recentelijk op metingen met behulp van jets en het bestuderen van licht-door-lichtverstrooiing. Voor de studie van vectormesonproductie, we doen nu systematische metingen, niet alleen verkennende. We zijn vooral geïnteresseerd in de studie van de energieafhankelijkheid van de impulsoverdracht in de productie van vectormesonen, omdat we hier de unieke kans hebben om het begin van gluonverzadiging vast te stellen."

De onderzoekers zeiden dat het werk belangrijk is omdat het de eerste vaststelling is van vier gemeten punten in termen van de energie van de foton-proton-interactie en als een functie van de impulsoverdracht.

"Eerdere experimenten bij HERA hadden maar één energiepunt, "Zei Tapia Takaki. "Voor ons recente resultaat, het laagste punt in energie is ongeveer 35 GeV en het hoogste is ongeveer 180 GeV. Dit klinkt niet als een heel hoog energiepunt, overwegende dat we voor recente J / psi- en Upsilon-metingen van UPC's bij de LHC processen tot de 1000s GeV hebben bestudeerd. Het belangrijkste punt hier is dat hoewel de energie veel lager is in onze Rho0-onderzoeken, de dipoolgrootte is erg groot."

Volgens teamleden veel vragen blijven onbeantwoord in hun onderzoekslijn om de samenstelling van protonen en neutronen beter te begrijpen.

"We weten dat er bij de HERA-collider al hints waren voor niet-lineaire QCD-effecten, maar er zijn veel theoretische vragen die niet zijn beantwoord, zoals het begin van gluonverzadiging, en er zijn ten minste twee hoofdverzadigingsmodellen waarvan we nog niet weten welke het dichtst in de buurt komt van wat de natuur zegt dat het proton is, " zei Goncalves. "We hebben de nieuwste resultaten van de CMS-samenwerking gebruikt en deze vergeleken met zowel de lineaire als niet-lineaire QCD-geïnspireerde modellen. We observeerden, Voor de eerste keer, dat de CMS-gegevens een duidelijke afwijking vertonen van het lineaire QCD-model op hun hoogste energiepunt."