Naukowcy opracowali przełomowy model, który łączy tradycyjną fizykę jądrową, skupiającą się na protonach i neutronach, z dynamiką kwarkowo-gluonową obserwowaną w wysokich energiach.
To nowe podejście, które obejmuje ulepszone funkcje rozkładu partonów, po raz pierwszy umożliwiło ujednolicony opis jąder atomowych na różnych poziomach energii.
Przełom w fizyce jądrowej
Minęło prawie sto lat od odkrycia protonów i neutronów, podstawowych składników jąder atomowych. Początkowo uważano, że cząstki te są niepodzielne. Jednak w latach sześćdziesiątych XX wieku naukowcy zasugerowali, że składniki te mogą wykazywać bardziej złożoną strukturę obejmującą kwarki i gluony, gdy są obserwowane przy bardzo wysokich energiach. Hipoteza ta została wkrótce potwierdzona eksperymentami.
Co zaskakujące, pomimo wielu lat badań naukowcom trudno było pogodzić wyniki eksperymentów jądrowych o niskiej energii, w których brały udział wyłącznie protony i neutrony, z teoriami opartymi na modelach kwarkowo-gluonowych. Impas ten udało się przezwyciężyć dopiero niedawno dzięki badaniom opublikowanym w Listy z przeglądu fizycznego przez naukowców ze współpracy nCTEQ, w skład której wchodzą członkowie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.
Łączenie fizyki jądrowej: od kwarków do nukleonów
„Do tej pory istniały dwa równoległe opisy jąder atomowych, jeden oparty na protonach i neutronach, które możemy zobaczyć przy niskich energiach, a drugi na wysokich energiach, oparty na kwarkach i gluonach. W naszej pracy udało nam się połączyć te dwa dotychczas od siebie oddzielone światy – mówi dr Aleksander Kusina, jeden z trzech teoretyków IFJ PAN biorących udział w badaniach.
Ludzie widzą swoje otoczenie, ponieważ używają wrodzonych detektorów (oczu) do rejestrowania rozproszonych fotonów, które wcześniej wchodziły w interakcję z atomami i cząsteczkami tworzącymi obiekty naszego otoczenia. W podobny sposób fizycy zdobywają wiedzę o jądrach atomowych: zderzają je z mniejszymi cząstkami i skrupulatnie analizują skutki zderzeń. Ze względów praktycznych wykorzystują jednak nie elektrycznie obojętne fotony, ale cząstki elementarne niosące ładunek, zwykle elektrony. Eksperymenty pokazują następnie, że gdy elektrony mają stosunkowo niskie energie, jądra atomowe zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów (tj. protonów i neutronów), podczas gdy przy wysokich energiach partony (tj. kwarki i gluony) są „widoczne” wewnątrz jąder atomowych.
Wyniki zderzeń jąder atomowych z elektronami zostały dość dobrze odtworzone przy użyciu modeli zakładających istnienie samych nukleonów do opisu zderzeń niskoenergetycznych oraz samych partonów w przypadku zderzeń wysokoenergetycznych. Jednak dotychczas tych dwóch opisów nie udało się połączyć w spójny obraz.
Postępy w badaniach cząstek wysokoenergetycznych
W swojej pracy fizycy z IFJ PAN wykorzystali dane dotyczące zderzeń wysokoenergetycznych, m.in. te zebrane w akceleratorze LHC w CERN laboratorium w Genewie. Głównym celem było zbadanie struktury partonowej jąder atomowych przy wysokich energiach, obecnie opisywanej za pomocą funkcji rozkładu partonów (pliki PDF). Funkcje te służą do mapowania rozmieszczenia kwarków i gluonów wewnątrz protonów i neutronów oraz w jądrze atomowym. Dzięki funkcjom PDF dla jądra atomowego możliwe jest określenie mierzalnych eksperymentalnie parametrów, takich jak prawdopodobieństwo powstania określonej cząstki w zderzeniu elektronu lub protonu z jądrem.
Teoretyczne innowacje w fizyce jądrowej
Z teoretycznego punktu widzenia istotą innowacji zaproponowanej w tej pracy było umiejętne rozszerzenie funkcji rozkładu partonów, inspirowane modelami jądrowymi używanymi do opisu zderzeń niskoenergetycznych, w których zakładano, że protony i neutrony łączą się w silnie oddziałujące pary nukleonów: proton-neutron, proton-proton i neutron-neutron. Nowatorskie podejście umożliwiło naukowcom określenie dla 18 badanych jąder atomowych funkcji rozkładu partonów w jądrach atomowych, rozkładów partonów w skorelowanych parach nukleonów, a nawet liczby takich skorelowanych par.
Wyniki potwierdziły obserwację znaną z eksperymentów niskoenergetycznych, że większość skorelowanych par to pary proton-neutron (wynik ten jest szczególnie interesujący w przypadku ciężkich jąder, np. złota czy ołowiu). Kolejną zaletą podejścia zaproponowanego w tej pracy jest to, że zapewnia lepszy opis danych eksperymentalnych niż tradycyjne metody stosowane do wyznaczania rozkładów partonów w jądrach atomowych.
Ujednolicanie teorii w fizyce jądrowej
„W naszym modelu wprowadziliśmy ulepszenia, aby symulować zjawisko parowania niektórych nukleonów. Dzieje się tak, ponieważ uznaliśmy, że efekt ten może mieć również znaczenie na poziomie partonu. Co ciekawe, pozwoliło to na koncepcyjne uproszczenie opisu teoretycznego, co powinno w przyszłości umożliwić dokładniejsze badanie rozkładów partonów dla poszczególnych jąder atomowych” – wyjaśnia dr Kusina.
Zgodność przewidywań teoretycznych z danymi eksperymentalnymi oznacza, że wykorzystując model partonowy i dane z obszaru wysokoenergetycznego, po raz pierwszy udało się odtworzyć zachowanie jąder atomowych wyjaśniane dotychczas wyłącznie opisem nukleonowym i danymi z niskich – zderzenia energetyczne. Wyniki opisanych badań otwierają nowe perspektywy dla lepszego zrozumienia budowy jądra atomowego, ujednolicając jego aspekty wysoko- i niskoenergetyczne.
Odniesienie: „Modyfikacja rozkładów kwarkowo-gluonowych w jądrach przez skorelowane pary nukleonów” AW Denniston, T. Ježo, A. Kusina, N. Derakhshanian, P. Duwentäster, O. Hen, C. Keppel, M. Klasen, K. Kovařík, JG Morfín, KF Muzakka, FI Olness, E. Piasetzky, P. Risse, R. Ruiz, I. Schienbein i JY Yu, 11 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.152502
Prace fizyków z IFJ PAN nad rekonstrukcją struktury nukleonowej z wykorzystaniem modelu partonowego zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki.
