Het proton is een samengesteld deeltje dat bestaat uit fundamentele bouwstenen van quarks en gluonen. Deze componenten en hun interacties bepalen de structuur van het proton, inclusief de elektrische ladingen en stromen. Deze structuur vervormt bij blootstelling aan externe elektrische en magnetische (EM) velden, een fenomeen dat bekend staat als polariseerbaarheid. De EM polariseerbaarheid is een maat voor de stijfheid tegen de vervorming veroorzaakt door EM velden. Door de EM-polariseerbaarheid te meten, leren wetenschappers over de interne structuur van het proton.

Deze kennis helpt bij het valideren van wetenschappelijk begrip van hoe nucleonen (protonen en neutronen) worden gevormd door de resultaten te vergelijken met theoretische beschrijvingen van gammastralingsverstrooiing door nucleonen. Wetenschappers noemen dit verstrooiingsproces nucleon Compton-verstrooiing.

Wanneer wetenschappers het proton onderzoeken op een afstand en schaal waar EM-responsen domineren, kunnen ze waarden van EM-polariseerbaarheid met hoge precisie bepalen. Hiervoor gebruiken ze het theoretische kader van Effective Field Theories (EFT's). De EFT's houden de belofte in dat de beschrijving van de nucleonstructuur bij lage energieën overeenkomt met de huidige theorie van de sterke kernkracht, de kwantumchromodynamica (QCD) genoemd. In dit onderzoek hebben wetenschappers EFT's gevalideerd met behulp van proton Compton-verstrooiing. Deze aanpak valideerde ook het raamwerk en de methodologie die ten grondslag liggen aan EFT's.

Proton Compton-verstrooiing is het proces waarbij wetenschappers circulair of lineair gepolariseerde gammastralen van een waterstofdoel (in dit geval een vloeibaar doel) verstrooien en vervolgens de hoekverdeling van de verstrooide gammastralen meten. Hoogenergetische gammastralen dragen EM-velden die sterk genoeg zijn om de respons van de ladingen en stromen in het nucleon significant te maken.

In deze studie, nu gepubliceerd in Physical Review Letters , voerden wetenschappers nieuwe metingen uit van Compton-verstrooiing van het proton bij de High Intensity Gamma Ray Source (HIGS) van het Triangle Universities Nuclear Laboratory. Dit werk leverde een nieuwe experimentele benadering op voor Compton-verstrooiing van het proton bij lage energieën met behulp van gepolariseerde gammastralen. De studie bevordert de behoefte aan nieuwe zeer nauwkeurige metingen bij HIGS om de nauwkeurigheid van proton- en neutronenpolariseerbaarheidsbepalingen te verbeteren. Deze metingen valideren de theorieën die de lage-energetische beschrijving van nucleonen koppelen aan QCD.