Bir fizikçi ekip, birkaç kişinin gittiği bir yolculuğa çıktı: atom çekirdeğini bağlayan tutkal. ABD Enerji Bakanlığı’nın Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı tesisinde alınan deneysel verilerden çıkarılan sonuç ölçümü, türünün ilk örneğidir ve fizikçilere gluon adı verilen görüntü parçacıklarına yardımcı olacaktır.
Sonuçları ortaya koyan makale yayınlandı ve bir editörün önerisi olarak öne sürüldü. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Gluons, sıradan maddenin atomlarının merkezinde yer alan protonları ve nötronları oluşturmak için başka bir tür atom altı parçacık olan kuarkları “tutan” güçlü kuvvete aracılık eder. Önceki ölçümler, araştırmacıların soliter protonlarda veya nötronlarda gluonların dağılımı hakkında bilgi edinmelerine izin verirken, gluonların çekirdeklere bağlı protonların veya nötronların içinde nasıl davrandıklarını daha az bilirler.
George Washington Üniversitesi Fizik Doçenti ve bu çalışmanın baş araştırmacısı Axel Schmidt, “Bu sonuç, bu gluon alanının bir protonda nerede bulunduğunu öğrenmede büyük bir adımdır.” Dedi. “Bir proton veya nötron bir çekirdeğin içindeyken değişebileceğine dair kanıtlar görüyoruz.”
Büyüleyici bir kılavuz partikül
Yirmi yılı aşkın bir süredir, fizik topluluğu, görünür evrenimizin yapı taşları olan kuarkların, bir atom çekirdeğinin içinde yalnız bir proton veya nötronla karşılaştırıldığında bir proton veya nötron oluşturduklarında daha yavaş hareket ettiğini biliyorlar. Ancak fizikçiler EMC etkisi olarak bilinen bu fenomenin neden meydana geldiğini anlayamadı.
Bu konuda daha fazla bilgi edinmek için ve genel olarak güçlü güç, fizikçilerin gluonları kuarkları inceledikleri şekilde araştırmaları gerekir. Bununla birlikte, nötr olan gluonların dağılımının ölçülmesi, elektrik yüklü kuarkların dağılımını ölçmekten daha zordur.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde lisansüstü öğrencisi Lucas Ehinger, bu ölçüme yol açan analiz üzerinde çalışan Lucas Ehinger, “Sadece güçlü güçle etkileşen bu nötr parçacıkları incelemek çok daha zor” dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Onlar ve onlarla herhangi bir potansiyel EMC etkisi olup olmadığı da dahil olmak üzere çekirdeklerdeki dinamikleri hakkında çok daha az şey biliyoruz.”
Bu çalışma bunu değiştirmek için bir adım atıyor. Ve bunu tamamen farklı bir parçacığı ölçerek yapar: j/ψ (veya j/psi).
Deney, dünya çapında 1.650’den fazla nükleer fizikçinin araştırmasını destekleyen bir DOE kullanıcı tesisi olan Jefferson Lab’ın sürekli elektron ışın hızlandırıcı tesisinde gerçekleştirildi. CEBAF’ın elektron ışınları, atomik çekirdekleri keşfeden deneyler için yüksek enerjili foton kirişleri üretmek için de kullanılabilir.
Protonlara ve nötronlara bir foton kirişini çekmek, her biri derhal bir elektrona ve pozitrona dönüşen J/ψ parçacıkları üretebilir. Bu çifti tespit etmek, bir deney sırasında kaç tane j/ψ üretildiğini gösterir. J/ψ cazibe kuarklarından yapılmıştır. Kuarkların altı lezzetinden biri olan Charm Warks, protonun veya nötronun bir parçası olmadığından, fizikçiler j/ψ, herhangi bir kuark lezzetini içeren parçacıklar üretebilen foton ve gluon arasındaki etkileşimden doğduğunu bilirler.
J/ψ üretimi, gluon dağılımlarını incelemek için iyi bilinen bir araçtır. Jefferson laboratuvarındaki önceki deneyler, gluex dedektöründe yalnız bir proton üretimini ölçmek için bir foton ışını kullandı. Ağır bir parçacık olan J/ψ üretmek için, foton ışınının enerjisinin çok yüksek olması gerekiyordu – en azından 8.2 GeV.
Bu çalışmada, deney ekibi ayrıca J/ψ üretmek için bir foton ışını kullandı. Bununla birlikte, bunu 8.2 GEV enerji eşiğinin altındaki fotonları kullanarak yapabildiler ve gluex dedektöründeki sonuçları ölçtüler.
Bu mümkün oldu çünkü hedef olarak farklı çekirdekler kullanıyorlardı: döteryum, helyum ve karbon. Yalnız bir proton veya nötron hedefinin aksine, bu çekirdeklerin içindeki protonlar ve nötronlar hareket ediyor. Kinetik enerjileri, eşik altındaki fotonun enerjisi ile birleşir ve birlikte J/ψ oluşturmak için yeterli enerji sunarlar.
Sonuç olarak, ekip sabit bir proton için gereken foton enerji eşiğinin altındaki J/ψ foto -üretimini ölçen ilk kişi oldu. Bu ölçüm çekirdeklerden çıkarıldığından, tutkalın çekirdeğin içine bağlı protonları ve nötronları bir arada tutan tutkunu görüntüler.
“Nükleer tutkalın bu sınırındayız. Esasen hiçbir şey bilinmiyor, bu yüzden ölçtüğünüz her şey bilgilendirici,” dedi veya MIT’deki fizik profesörü ve bu çalışmanın ana araştırmacısı. “Aynı zamanda çok heyecan verici ve süper zor.”
Gelecekteki ölçümler için bir haritanın çizilmesi
Bu Pathfinder ölçümünün zor olmasının bir nedeni, rehberlik edecek önceki ölçümlerin olmamasıdır. Analize başlayan ekip, mümkün olduğundan bile emin değildi. Bu verileri toplayan deneyin başlangıçta J/ψ üretimini ölçmesi gerekmiyordu; Daha çok umutlu bir eklentidi.
Neyse ki, araştırmacılar takımlarında Jackson Pybus vardı. Pybus, MIT’de lisansüstü öğrenciyken analizin büyük kısmını yönetti. Almanya’da yurtdışında bir yaz boyunca eğitimini çağırdı. Orada, ışık ön dinamikleri hakkında bilgi edinmek için bir teorisyenle çalışmıştı.
Bu yaklaşım genellikle göreceli parçacık davranışını (ışığın hızına yakın hareket eden parçacıklar) tanımlayan kuantum alanı teorileri için geçerlidir. Bu araştırmada, çekirdekler gibi parçacık sistemlerini tanımlamada en yararlıdır. Bu teorik yöntemden hileler uygulamak, Pybus ve ekibin bu ölçümü çıkarmasına izin verdi.
Hen, “Bu çalışma hem bize hangi fizik öğrettiği konusunda benzersiz değil, aynı zamanda bir lisansüstü öğrencinin bu fiziğe ulaşmak için uyguladığı teknikler açısından da benzersizdir.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Jackson dışında hiçbirimiz bu işi yapamazdı. Çok fazla krediyi hak ediyor.”
Deneyciler eşik alt ölçümlerini teorik tahminlerle karşılaştırdıklarında, teorinin öngördüğünden daha fazla J/ψ üretildiğini gördüler. Bu eşitsizlik, nükleer tutkalın yalnız protonlar veya nötronlardaki tutkaldan farklı davrandığını ima eder, ancak tam olarak nasıl olduğunu belirlemek için daha fazla veri gereklidir. Neyse ki, bu sonuçlar gelecekteki benzer ölçümlere rehberlik etmek için bir harita görevi görecektir.
Los Alamos Ulusal Laboratuvarında doktora sonrası bir adam olan Pybus, “Şimdi bu ölçümü yapabileceğimizi bildiğimize göre, bunu ayrıntılı olarak ölçmek için daha uzun bir deneyi optimize etmek istiyoruz ve şu anda sadece ilk bakışta olan bu potansiyel olarak egzotik etkilerin bazılarını nicel olarak tespit ediyoruz.” Dedi.
Bu çalışmada kullanılan veriler-sadece düzinelerce J/ψ ölçümünden yapılmış-2021’de nispeten kısa bir altı haftalık bir çalışmada toplanmıştır. Ekip, CEBAF’ın foton ışını ile gluex aparatı ile tekrar çalışmaya adanmış bir deney önermektedir.
Hen, “Bu tepkiyi gerçekten incelemek için 100 günlük özel hızlandırıcı zamanımız olsaydı ne yapabileceğimizi hayal edin.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Şimdi güçlü nükleer gücün sınırını bir gün – yaşamımızda değil – Hırsızlık’ın gelişmiş bilgisinin daha iyi teknoloji ve daha sürdürülebilir güç kaynaklarını mümkün kılacağı umuduyla haritalamak için çok sıkı bir çalışma yapıyoruz.”
Bu sonuçlar, gluonları daha fazla araştırmayı planlayan yaklaşan elektron-iyon Çarpıştırıcı’da (EIC) gluon deneylerini yönlendirebilir.
Schmidt, “Bu sorun hakkında bilgi edinmek ve bu makinenin açılmasından önce neler olup bittiğine ve nereye bakacağına dair iyi bir işimiz var.” Dedi.
