Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de vormen van atoomkernen en hun interne bouwstenen te bestuderen. De methode is gebaseerd op het modelleren van de productie van bepaalde deeltjes uit hoogenergetische botsingen van elektronen met nucleaire doelen. Dergelijke botsingen zullen plaatsvinden bij de toekomstige Electron Ion Collider (EIC). De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Deze resultaten laten zien dat botsingen die uitsluitend afzonderlijke mesonen produceren (een deeltje gemaakt van een quark en antiquark) inzicht bieden in de grootschalige structuur van de kern, bijvoorbeeld de grootte en vorm ervan. Dit zal helpen onthullen hoeveel de kern op een sigaar of een pannenkoek lijkt. Mesonen met een hoger momentum kunnen de nucleaire structuur op kortere lengteschalen onthullen, inclusief de rangschikking van quarks en gluonen in protonen en neutronen.

Dit werk suggereert dat het bestuderen van mesonen geproduceerd bij EIC-botsingen nieuwe inzichten zal opleveren in de structuur van atoomkernen. Deze methode verschilt van traditionele methoden zoals het met relatief lage energie laten botsen van twee kernen en het uitschakelen van een neutron of proton, of het exciteren van kernen in een elektromagnetisch veld.

Deze traditionele methoden zijn gevoelig voor de verdeling van elektrische lading binnen kernen. Maar de nieuwe methode geeft inzicht in de verdeling van gluonen, de deeltjes die de quarks bij elkaar houden waaruit deze grotere nucleaire bouwstenen bestaan. Dit maakt de methode tot een diepere vorm van ‘röntgenzicht’ voor atomen.

Dit werk van theoretici van het Brookhaven National Laboratory, de Universiteit van Jyvaskyla in Finland, en Wayne State University biedt een theoretisch raamwerk voor het bestuderen van de nucleaire structuur aan de toekomstige EIC. De EIC is een ultramoderne onderzoeksfaciliteit voor kernfysica die wordt gebouwd in het Brookhaven Lab.

Het onderzoek toont aan dat EIC-botsingen die uitsluitend enkele vectormesonen produceren gevoelig zullen zijn voor de gedetailleerde structuur van het nucleaire doelwit. Bij deze botsingen kan het doel intact blijven of uit elkaar vallen. Wanneer het uiteenvalt, is de dwarsdoorsnede, die een maat is voor de waarschijnlijkheid dat het proces zal plaatsvinden, gevoelig voor fluctuaties in het doel. Deze kunnen worden aangedreven door positieschommelingen van de neutronen en protonen. Het nieuwe werk laat zien dat wanneer het doel wordt vervormd, deze fluctuaties aanzienlijk veranderen, waardoor de gemeten doorsnede verandert.

Omdat de metingen worden uitgevoerd met een veel hogere botsingsenergie dan traditionele experimenten met de nucleaire structuur, zijn de interacties gevoelig voor de gluonverdelingen in de protonen en neutronen van de kern.

Het meten van de verdeling van gluonen in de kern, in plaats van de verdeling van elektrische lading, zal nieuw inzicht verschaffen in hoe deze twee verdelingen verschillen, en hoe de verdeling van gluonen afhangt van de energie die wordt gebruikt om de meting uit te voeren.

Deze techniek opent een nieuwe richting voor onderzoek bij de EIC en zou kunnen leiden tot belangrijke informatie die een aanvulling vormt op informatie uit traditionele experimenten met nucleaire structuren. Het zal wetenschappers helpen begrijpen hoe nucleaire vormen evolueren met energie en nieuwe informatie verschaffen over de nucleaire structuur die voorheen ontoegankelijk was.

Meer informatie: Heikki Mäntysaari et al, Multiscale beeldvorming van nucleaire vervorming bij de Electron-Ion Collider, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.062301

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Geleverd door Brookhaven National Laboratory