De Jefferson Lab Hall Een samenwerking, in een experiment geleid door onderzoekers van de Faculté des Sciences de Monastir in Tunesië, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay in Frankrijk en Old Dominion University in de Verenigde Staten, heeft onlangs de eerste experimentele waarnemingen verzameld van diep virtuele Compton-verstrooiing (DVCS) in neutronen. Hun experiment, waarvan de resultaten zijn gepubliceerd in Natuurfysica , werd gemotiveerd door gegeneraliseerde partonverdelingen (GPD's), een recent ontwikkeld theoretisch raamwerk dat de interne dynamiek van het nucleon (proton of neutron) beschrijft in termen van quarks en gluonen. DVCS is het eenvoudigste proces waarbij GPD's betrokken zijn. Het bestaat uit de verstrooiing van een elektron van een nucleon en de emissie van een hoogenergetisch foton terwijl het nucleon intact blijft.

"Protonen en neutronen bestaan ​​uit golven van quarks en gluonen opgesloten in een ruimte van ongeveer 100, 000 keer kleiner dan de grootte van een atoom, " Prof. Charles Hyde, een onderzoeker aan de Old Dominion University in Virginia, vertelde Phys.org. "Dit papier, als gevolg van werkzaamheden in Hall A van Jefferson Lab, kan worden beschreven als het raken van een proton of neutron met een hoogenergetisch elektron, en vervolgens het detecteren van een uitgezonden gammastraling om 'een foto te maken' van de quarkgolven."

In hun werk, Hyde en zijn collega's demonstreerden een nieuwe techniek om de ruimtelijke verdeling van op- en neergaande quarks van bepaalde golflengten afzonderlijk op te lossen (d.w.z. top-to-top afstand), terwijl ook de offset tussen de golftoppen van up- en down-quarks wordt gemeten. Met behulp van deze techniek, ze waren in staat om de eerste experimentele waarneming van DVCS in neutronen te verzamelen.

"Het bestuderen van diep virtuele Compton-verstrooiing (DVCS) van het neutron kwam als een natuurlijke uitbreiding van studies over het proton, "Dr. Carlos Munoz Camacho, onderzoeker aan het Institut de Physique Nucléaire d'Orsay in Frankrijk, vertelde Phys.org. "DVCS kan ons vertellen over de transversale positie en het longitudinale momentum van quarks in het nucleon. DVCS-experimenten op het proton alleen kunnen niet zeggen uit welke quark-smaak het foton zich verspreidt."

Aangezien geen enkel neutronendoel volledig zuiver is, het experimenteel bestuderen van DVCS van het neutron kan een hele uitdaging zijn. Door DVCS van het neutron uit te voeren en de resultaten te combineren met die verzameld in eerdere experimenten met protonen, de onderzoekers waren in staat om onafhankelijk de positie en momenta van up- en down-quarks in het nucleon in kaart te brengen.

In hun experimenten, de onderzoekers besloten een deuteriumdoelwit te gebruiken, een kern gevormd door één proton en één neutron, getroffen door een 6GeV gepolariseerde elektronenbundel. Deze bundel werd geleverd door de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) in Newport News, Virginia.

"We hebben de verstrooide elektronen en de energetische fotonen gemeten die tijdens de reactie werden uitgezonden met behulp van zeer nauwkeurige detectoren, "Dr. Meriem Benali, die onlangs haar Ph.D. van de Faculté des Sciences de Monastir in Tunesië, vertelde Phys.org. "Het terugstootneutron werd geïdentificeerd met behulp van een techniek die energie-impulsbehoud wordt genoemd."

De onderzoekers vergeleken de gegevens die ze verzamelden in hun experiment op de deuteriumkern met gegevens die in het verleden waren verzameld met behulp van waterstofdoelen (d.w.z. een kern met slechts één proton). Hierdoor konden ze zeldzame DVCS-gebeurtenissen identificeren die zich voordoen in neutronen, de bijdragen van de up- en down-quarks afzonderlijk bepalen.

"Onze resultaten bewijzen de experimentele haalbaarheid van neutronen DVCS-metingen, die zeer complementair zijn aan protonen, "Dr. Malek Mazouz, professor aan de Faculté des Sciences de Monastir in Tunesië, vertelde Phys.org. "Omdat het neutron een ander quarksmaakgehalte heeft dan het proton, de combinatie van neutronen- en protonmetingen stelde ons in staat, Voor de eerste keer, om de GPD's experimenteel op quark-niveau te bestuderen."

DVCS is een moeilijk te meten proces, vooral van een neutron. Omdat een neutron geen netto elektrische lading draagt, de kans op interactie met elektronen is veel kleiner dan die van een proton.

De zogenaamde A-samenwerking werd mogelijk gemaakt door verschillende technische verbeteringen, inclusief de intense elektronenbundel van JLab en zeer nauwkeurige detectoren. Om het succes ervan te verzekeren, de onderzoekers volgden de kalibratie van de detectoren met uiterste zorg gedurende de maanden waarin hun experiment plaatsvond.

"Protonen en neutronen zijn als tollen, Hyde zei. "Een verrassend resultaat van onze studie is dat door gebruik te maken van het volledige energiebereik van de Jefferson Lab-versneller, de metingen kunnen ook onderscheiden hoe de verdeling van quarks in het proton en neutron verandert met de oriëntatie van het proton of de neutronenspin."

Dit team van onderzoekers was de eerste die met succes het DVCS-proces van het neutron observeerde, wat een belangrijke prestatie is. Door een aantal beperkingen toe te voegen aan GPD-modellen, hun bevindingen kunnen helpen bij het beantwoorden van een aantal fundamentele vragen, bijvoorbeeld het onthullen van de oorsprong van de nucleon spin. In aanvulling, hun werk opent een nieuwe weg voor het experimenteel in kaart brengen van onafhankelijke quark-smaken in een nucleon.

"De versnellerfaciliteit bij JLab is onlangs geüpgraded en de energie van de elektronenstraal is veel hoger (11 GeV), "Zei Munoz Camacho. "Er zijn nieuwe DVCS-experimenten aan de gang en gepland voor de toekomst, waarmee we de verdelingen van quarks in het nucleon met grotere precisie in kaart kunnen brengen. DVCS-metingen zijn ook een van de wetenschappelijke motivaties voor het toekomstige Electron-Ion Collider (EIC)-project, gepland om te worden gebouwd in Brookhaven National Laboratory (NY, ONS.)."

De nieuwe versneller bij Brookhaven National Laboratory zou onderzoekers binnenkort in staat moeten stellen de positie en momentumverdelingen van gluonen te bestuderen, de deeltjes die quarks bij elkaar houden in protonen en neutronen. In feite, quark- en gluonbeeldvorming is een belangrijk onderdeel van het wetenschappelijke programma voor de ontwikkeling van de nieuwe elektronen-ionversneller, die onlangs werd aangekondigd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk