Natuurkundigen van de Florida State University gebruiken foton-protonbotsingen om deeltjes te vangen in een onontgonnen energiegebied, wat nieuwe inzichten oplevert in de materie die delen van de kern met elkaar verbindt.

"We willen niet alleen de kern begrijpen, maar alles wat de kern vormt, " zei FSU-hoogleraar natuurkunde Paul Eugenio. "We werken eraan om de deeltjes en krachten te begrijpen waaruit onze wereld bestaat."

De hadronische fysica-groep van FSU is een vooraanstaand lid van de GlueX-samenwerking bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie. De groep voerde vanaf 2016 maandenlang zeer geavanceerde experimenten uit, maandenlang, gedurende meerdere jaren. Hun belangrijkste doel is om nieuwe informatie op te sporen over het materiaal - het gluonisch veld genaamd - dat quarks met elkaar verbindt. Quarks zijn fundamentele deeltjes die protonen en neutronen creëren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de hadronische fysica-groep aan de Florida State University en hun medewerkers hebben de allereerste metingen gedaan van een subatomair deeltje - het J/psi-deeltje genaamd - dat werd gecreëerd uit de energie in de foton-protonbotsingen.

"Het is echt gaaf om te zien, "Zei assistent-professor natuurkunde Sean Dobbs. "Dit opent een nieuwe grens van de natuurkunde."

Wanneer onderzoekers deze experimenten uitvoeren, ze blazen een fotonenstraal in de GlueX-spectrometer, waar deze door een bus met vloeibare waterstof gaat en reageert met de protonen in de kern van deze waterstofatomen. Vanaf daar, de detectoren meten de deeltjes die bij deze botsingen ontstaan, waarmee natuurkundigen de details van de botsing kunnen reconstrueren en meer te weten komen over de gecreëerde deeltjes.

Dobbs vergeleek het met een autowrak. Misschien zie je het wrak niet gebeuren, maar je ziet het resultaat en kan achteruit werken. In dit geval, onderzoekers verzamelden via dit proces ongeveer één tot twee miljoen gigabyte aan gegevens per jaar om te proberen de puzzel in elkaar te leggen.

Het J/psi-deeltje is samengesteld uit een paar quarks:een charm-quark en een anti-charm-quark. Bij het meten van het J/psi-deeltje bij deze botsingen, wetenschappers kunnen ook zoeken naar de productie van andere subatomaire deeltjes die charme-quarks bevatten.

De metingen werden gedaan bij een energiedrempel lager dan waar eerdere studies naar productieniveaus keken, wat betekent dat het gevoeliger was voor de verdeling van de gluonen in het proton en hun bijdragen aan de protonmassa.

Wetenschappers hebben een veel grotere productie van J/psi-deeltjes gevonden dan verwacht, wat betekent dat deze gluonische structuur een grote bijdrage levert aan de massa van de protonstructuur, en dus de kern als geheel. Deze eerste metingen suggereren dat de gluonen direct meer dan 80 procent van de massa van het proton bijdragen. Verdere metingen van deze reacties die momenteel aan de gang zijn, zullen meer inzicht geven in hoe de gluonen rond het nucleon zijn verdeeld.

Deze metingen brachten ook de waarnemingen van experimenten op de Large Hadron Collider in twijfel, een deeltjesdetector bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek. Wetenschappers daar hebben even een glimp opgevangen van wat ze pentaquarks noemen - kortlevende deeltjes gemaakt van vijf quarks.

FSU-natuurkundigen zagen niet specifiek pentaquarks in hun gegevens, wat verschillende modellen heeft uitgesloten die proberen de structuur van deze pentaquarks te beschrijven. Verdere metingen die aan de gang zijn, zullen naar verwachting een meer definitief antwoord geven over hoe de vijf quarks in deze deeltjes zijn gerangschikt.