Wetenschappers hebben een nieuwe manier gevonden om in de eenvoudigste atoomkernen te "kijken" om de "lijm" die de bouwstenen van materie bij elkaar houdt beter te begrijpen. De resultaten, zojuist gepubliceerd in Physical Review Letters , komen van botsingen van fotonen (lichtdeeltjes) met deuteronen, de eenvoudigste atoomkernen (gemaakt van slechts één proton gebonden aan één neutron).

De botsingen vonden plaats bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een Office of Science-gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voor kernfysisch onderzoek in het Brookhaven National Laboratory van DOE. Wetenschappers van over de hele wereld analyseren gegevens van de subatomaire smashups van RHIC om inzicht te krijgen in de deeltjes en krachten die de zichtbare materie van onze wereld opbouwen.

Bij deze specifieke botsingen gedroegen de fotonen zich een beetje als een röntgenstraal om een ​​eerste glimp op te vangen van hoe deeltjes die gluonen worden genoemd, in het deuteron zijn gerangschikt.

"Het gluon is erg mysterieus", zegt Brookhaven Lab-natuurkundige Zhoudunming Tu, die dit project leidde voor RHIC's STAR Collaboration. Gluonen, als "dragers" van de sterke kracht*, zijn de lijm die quarks bindt, de innerlijke bouwstenen van protonen en neutronen. Ze houden ook protonen en neutronen bij elkaar om atoomkernen te vormen. "We willen de gluonverdeling bestuderen omdat het een van de sleutels is die de quarks samenbindt. Deze meting van de gluonverdeling in een deuteron is nog nooit eerder gedaan."

Omdat de foton-deuteron-botsingen de deuteronen soms uit elkaar halen, kunnen de botsingen wetenschappers helpen dit proces te begrijpen.

"Het meten van het uiteenvallen van het deuteron vertelt ons veel over de basismechanismen die deze deeltjes in kernen in het algemeen bij elkaar houden," zei Tu.

Het begrijpen van gluonen en hun rol in nucleaire materie zal centraal staan ​​in het onderzoek van de Electron-Ion Collider (EIC), een toekomstige onderzoeksfaciliteit voor kernfysica in de planningsfase van Brookhaven Lab. Bij EIC zullen natuurkundigen fotonen gebruiken die door elektronen worden gegenereerd om de gluonverdelingen in protonen en kernen te onderzoeken, evenals de kracht die kernen bij elkaar houdt. Maar Tu, die plannen heeft ontwikkeld voor onderzoek bij de EIC, realiseerde zich dat hij misschien wat aanwijzingen zou krijgen door te kijken naar bestaande gegevens van RHIC's 2016-experimenten met deuteronen.

"De motivatie voor het bestuderen van deuteron is omdat het eenvoudig is, maar het heeft nog steeds alles wat een complexe kern heeft," legde Tu uit. "We willen het eenvoudigste geval van een kern bestuderen om deze dynamiek te begrijpen, inclusief hoe ze veranderen als je van een eenvoudig proton naar de meer complexe kernen gaat die we aan de EIC zullen bestuderen."

Dus begon hij de gegevens te doorzoeken die STAR had verzameld van honderden miljoenen botsingen in 2016.

"De gegevens waren er. Niemand had naar de gluondistributie van deuteron gekeken totdat ik begon toen ik een Goldhaber Fellow was in 2018. Ik was net bij Brookhaven gekomen en ik vond dit verband met de EIC."

Het licht schijnen

RHIC kan een breed scala aan ionen versnellen - atoomkernen ontdaan van hun elektronen. Het kan zelfs stralen van twee verschillende soorten deeltjes in tegengestelde richting door de dubbele ringen van zijn 2,4-mijls cirkelvormige racebaan sturen met bijna de snelheid van het licht. Maar het kan fotonen niet rechtstreeks versnellen.

Maar dankzij de fysica, die hier onlangs is behandeld, zenden snel bewegende deeltjes met veel positieve lading hun eigen licht uit. Dus, in 2016, toen RHIC deuteronen botste met sterk geladen goudionen, werden die versnellende goudionen omringd door wolken van fotonen. Door "ultra-perifere botsingen" te identificeren - waarbij het deuteron slechts een blik werpt op de wolk van fotonen van een goudion - realiseerde Tu zich dat hij fotonen kon bestuderen die in wisselwerking staan ​​met deuteronen om een ​​glimp van binnen te krijgen.

Het veelbetekenende teken van die interacties is de productie van een deeltje genaamd J/psi, geactiveerd door het foton dat in wisselwerking staat met gluonen in het deuteron.

"Ik vond 350 J/psi. Er zijn slechts 350 gebeurtenissen van de honderden miljoenen botsingen die zijn geregistreerd door het STAR-experiment. Het is eigenlijk een zeer zeldzame gebeurtenis", zei Tu.

Hoewel de J/psi snel vervalt, kan de STAR-detector de vervalproducten volgen om te meten hoeveel momentum werd overgedragen door de interactie. Door de verdeling van impulsoverdracht over alle botsingen te meten, kunnen wetenschappers de gluonverdeling afleiden.

"Er is een één-op-één verband tussen de impulsoverdracht (de 'kick' die aan de J / psi wordt gegeven) en waar het gluon zich in het deuteron bevindt," legde Tu uit. "Gemiddeld geven gluonen in de kern van het deuteron een zeer grote momentumkick. Gluonen aan de periferie geven een kleinere kick. Dus, kijkend naar de algehele momentumverdeling kan worden gebruikt om de gluonverdeling in het deuteron in kaart te brengen."

"De bevindingen van onze studie hebben een leemte opgevuld in ons begrip van de gluondynamiek tussen een vrij proton en een zware kern", zegt Shuai Yang, een STAR-medewerker van de South China Normal University. Yang is een vooraanstaand natuurkundige geweest in het gebruik van licht dat wordt uitgestraald door snel bewegende ionen om de eigenschappen van nucleaire materie in ultraperifere kern-kernbotsingen bij RHIC en bij Europa's Large Hadron Collider (LHC) te bestuderen. "Dit werk bouwt een brug tussen deeltjesfysica en kernfysica," zei hij.

Een andere vooraanstaande medewerker, William Schmidke van Brookhaven Lab, zei:"In feite bestuderen we dit proces al vele jaren. Maar dit is het eerste resultaat dat ons de gluondynamiek voor beide individuele nucleonen (de verzamelnaam voor protonen en neutronen) vertelt. en de kern in hetzelfde systeem."

Deuteron uiteenvallen bestuderen

Naast het genereren van een J/psi-deeltje, geeft elke foton-gluon-interactie ook een momentumkick die het deuteron afbuigt - of die eenvoudige kern uit elkaar breekt in een proton en neutron. Het bestuderen van het uiteenvallen geeft inzicht in de door gluon gegenereerde kracht die kernen bij elkaar houdt.

Bij een breuk buigt het positief geladen proton weg in het magnetische veld van de RHIC-versneller. Maar het neutrale neutron blijft rechtdoor bewegen. Om deze 'toeschouwersneutronen' te vangen, heeft STAR een detector geplaatst op 18 meter afstand van het midden langs de bundellijn aan één uiteinde.

"Dit proces is heel eenvoudig," merkte Tu op. "Slechts één J/psi wordt geproduceerd in het centrum van STAR. De enige andere deeltjes die kunnen worden gecreëerd, zijn van deze deuteron-breuk. Dus elke keer dat je een neutron krijgt, weet je dat dit afkomstig is van de deuteron-breuk. De STAR-detector kan dit proces ondubbelzinnig meten bij hoge energie."

Door te meten hoe het uiteenvalproces is geassocieerd met een J/psi-deeltje dat wordt geproduceerd via gluon-interactie, kunnen wetenschappers de rol van gluonen in de interactie tussen protonen en neutronen beter begrijpen. Die kennis kan verschillen van wat wetenschappers begrijpen over die interacties bij lage energie.

"Bij hoge energie 'ziet' het foton bijna niets anders dan gluonen in het deuteron," zei Tu. "Nadat de gluonen het J/psi-deeltje 'kicken', is de manier waarop deze 'kick' tot een breuk leidt zeer waarschijnlijk gerelateerd aan de gluondynamiek tussen het proton en het neutron. Het voordeel van deze meting is dat we de gluon- gedomineerde zender en het nucleaire uiteenvallen tegelijkertijd."

Bovendien merkt Tu op dat het meten van neutronen die worden geproduceerd via het uiteenvallen van de kern - algemeen bekend als "toeschouwers tagging" - een brede en nuttige techniek is en zeker zal worden gebruikt bij de toekomstige EIC.

Maar bij de EIC "zal de instrumentatie veel beter zijn en meer dekking hebben", legde hij uit. "We zullen in staat zijn om de precisie van ruimtelijke verdelingsmetingen van gluonen van lichte kernen tot zware kernen verder te verbeteren. En EIC-detectorsystemen zullen bijna alles over het uiteenvallen van de kern vastleggen, zodat we in nog meer detail kunnen bestuderen hoe nucleonen met elkaar interageren ."

Andere belangrijke bijdragers die hebben meegewerkt om de gecompliceerde gegevensanalyses voor dit onderzoek uit te voeren, zijn onder meer Brookhaven Lab-natuurkundigen Jaroslav Adam, Zilong Chang en Thomas Ullrich.

* De sterke kracht is de sterkste van de vier fundamentele krachten in de natuur (sterke, zwakke, elektromagnetische en zwaartekracht). En in tegenstelling tot alle andere krachten, wordt de interactiesterkte groter naarmate de afstand groter wordt. De bindende kracht tussen twee quarks op een afstand groter dan 10 ^-15 meter (niet verder dan een miljoenste van een miljardste van een meter) is meer dan 10 ton. + Verder verkennen

Onderzoek naar de oorsprong van protonspin