Wetenschappers houden een "spiegel" voor protonen en neutronen omhoog om meer te weten te komen over de deeltjes die ons zichtbare universum vormen. Het MARATHON-experiment, uitgevoerd in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft toegang gekregen tot nieuwe details over de structuren van deze deeltjes door de zogenaamde spiegelkernen, helium-3 en triton, te vergelijken. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters .

De fundamentele deeltjes die de meeste materie vormen die we in het universum zien - quarks en gluonen - zijn diep begraven in de protonen en neutronen, de nucleonen waaruit atoomkernen bestaan. Het bestaan ​​van quarks en gluonen werd een halve eeuw geleden voor het eerst bevestigd in Nobelprijswinnende experimenten die werden uitgevoerd in het Stanford Linear Accelerator Center van DOE (nu bekend als SLAC National Accelerator Laboratory).

Deze eerste-van-hun-soort experimenten introduceerden het tijdperk van diepe inelastische verstrooiing. Deze experimentele methode maakt gebruik van hoogenergetische elektronen die diep in protonen en neutronen reizen om de quarks en gluonen daar te onderzoeken.

"Als we diepe inelastische verstrooiing zeggen, bedoelen we dat kernen die worden gebombardeerd met elektronen in de bundel onmiddellijk uiteenvallen, waardoor de nucleonen erin worden onthuld wanneer de verstrooide elektronen worden opgevangen met ultramoderne deeltjesdetectiesystemen", zei Gerassimos ( Makis) Petratos, een professor aan de Kent State University en de woordvoerder en contactpersoon voor het MARATHON-experiment.

De enorme deeltjesdetectorsystemen die de elektronen verzamelen die uit deze botsingen komen, meten hun momenta - een hoeveelheid die de massa en snelheid van de elektronen omvat.

Sinds die eerste experimenten vijf decennia geleden zijn er in verschillende laboratoria over de hele wereld diepe inelastische verstrooiingsexperimenten uitgevoerd. Deze experimenten hebben het begrip van kernfysici van de rol van quarks en gluonen in de structuren van protonen en neutronen aangewakkerd. Tegenwoordig blijven experimenten dit proces verfijnen om steeds meer gedetailleerde informatie te verkrijgen.

In het onlangs voltooide MARATHON-experiment vergeleken kernfysici voor het eerst de resultaten van experimenten met diepe inelastische verstrooiing in twee spiegelkernen om meer te weten te komen over hun structuren. De natuurkundigen kozen ervoor om zich te concentreren op de kernen van helium-3 en tritium, een isotoop van waterstof. Terwijl helium-3 twee protonen en één neutron heeft, heeft tritium twee neutronen en één proton. Als je helium-3 zou kunnen "spiegelen"-transformeren door alle protonen om te zetten in neutronen en neutronen in protonen, zou het resultaat tritium zijn. Daarom staan ​​ze bekend als spiegelkernen.

"We gebruikten het eenvoudigste spiegelkernsysteem dat er bestaat, tritium en helium-3, en daarom is dit systeem zo interessant", zegt David Meekins, een stafwetenschapper van Jefferson Lab en medewoordvoerder van het MARATHON-experiment.

"Het blijkt dat als we de verhouding van dwarsdoorsneden in deze twee kernen meten, we toegang kunnen krijgen tot de structuurfuncties van protonen ten opzichte van neutronen. Deze twee grootheden kunnen verband houden met de verdeling van op- en neerwaartse quarks in de kernen." zei Petratos.

Het MARATHON-experiment, voor het eerst bedacht tijdens een zomerworkshop in 1999, werd uiteindelijk in 2018 uitgevoerd in de Continuous Electron Beam Accelerator Facility van Jefferson Lab, een DOE-gebruikersfaciliteit. De meer dan 130 leden van de MARATHON-experimentele samenwerking hebben veel hindernissen overwonnen om het experiment uit te voeren.

MARATHON had bijvoorbeeld de hoogenergetische elektronen nodig die mogelijk werden gemaakt door het 12 GeV CEBAF-upgradeproject dat in 2017 werd voltooid, evenals een gespecialiseerd doelsysteem voor tritium.

"Voor dit individuele experiment was duidelijk de grootste uitdaging het doelwit. Omdat tritium een ​​radioactief gas is, moesten we boven alles veiligheid garanderen", legt Meekins uit. "Dat maakt deel uit van de missie van het lab:er is niets zo belangrijk dat we de veiligheid kunnen opofferen."

Het experiment stuurde 10,59 GeV (miljard elektron-volt) elektronen naar vier verschillende doelen in experimentele hal A. De doelen omvatten helium-3 en drie isotopen van waterstof, waaronder tritium. De uitgaande elektronen werden verzameld en gemeten met de linker en rechter hoge resolutie spectrometers van de zaal.

Nadat de gegevensverzameling was voltooid, werkte de samenwerking om de gegevens zorgvuldig te analyseren. De uiteindelijke publicatie bevatte de originele gegevens, zodat andere groepen de modelvrije gegevens in hun eigen analyses konden gebruiken. Het bood ook een analyse onder leiding van Petratos die is gebaseerd op een theoretisch model met minimale correcties.

"Wat we duidelijk wilden maken, is dat dit de meting is die we hebben gedaan, dit is hoe we het hebben gedaan, dit is de wetenschappelijke extractie van de meting en dit is hoe we dat hebben gedaan", legt Meekins uit. "We hoeven ons geen zorgen te maken dat we het ene model boven het andere verkiezen - iedereen kan de gegevens gebruiken en toepassen."

Naast een nauwkeurige bepaling van de verhouding van de proton/neutronenstructuurfunctieverhoudingen, bevatten de gegevens ook hogere elektronmomentametingen van deze spiegelkernen dan voorheen beschikbaar waren. Deze hoogwaardige dataset opent ook de deur naar aanvullende gedetailleerde analyses voor het beantwoorden van andere vragen in de kernfysica, zoals waarom quarks anders zijn verdeeld binnen kernen in vergelijking met vrije protonen en neutronen (een fenomeen dat het EMC-effect wordt genoemd) en andere studies van de structuren van deeltjes in kernen.

Bij het bespreken van de resultaten waren de MARATHON-woordvoerders er snel bij om het harde werk van de leden van de samenwerking te erkennen voor de uiteindelijke resultaten.

"Het succes van dit experiment is te danken aan de uitstekende groep mensen die aan het experiment heeft deelgenomen en ook aan de steun die we kregen van Jefferson Lab", zegt Mina Katramatou, een professor aan de Kent State University en medewoordvoerder van het MARATHON-experiment. "We hadden ook een fantastische groep jonge natuurkundigen die aan dit experiment werkten, waaronder postdoctorale onderzoekers in het begin van hun loopbaan en afgestudeerde studenten."

"Er waren vijf afgestudeerde studenten die hun scriptieonderzoek uit deze gegevens hebben gehaald," bevestigde Meekins. "En het zijn goede gegevens, we hebben goed werk geleverd en het was moeilijk om te doen." + Verder verkennen

Marathon-experiment onthult eigenaardigheden van quarks