Niedawne postępy w Narodowym Ośrodku Akceleratora im. Thomasa Jeffersona umożliwiły fizykom badanie wewnętrznej struktury neutronów z niespotykaną dotąd szczegółowością.
Korzystając z nowego detektora, badacze lepiej zrozumieli, w jaki sposób kwarki i gluony przyczyniają się do ogólnego spinu nukleonu, co umożliwiło znaczny postęp w fizyce jądrowej.
Protony i neutrony, zwane łącznie nukleonami, są podstawowymi elementami budulcowymi materii. Jednak jeśli chodzi o eksperymenty z zakresu fizyki jądrowej, protonom poświęcano w przeszłości więcej uwagi – aż do teraz.
Po raz pierwszy naukowcy uzyskali wgląd w wewnętrzną strukturę neutronu. Ten przełom, opublikowany w Listy z przeglądu fizycznegobyło możliwe dzięki trwającym dziesięć lat wysiłkom mającym na celu opracowanie specjalistycznego detektora, obecnie zainstalowanego w hali eksperymentalnej B w Narodowym Akceleratorze Thomasa Jeffersona Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
„Po raz pierwszy wykryliśmy neutron w tego typu reakcji i jest to dość ważny wynik dla badania nukleonów” – powiedziała Silvia Niccolai, dyrektor ds. badań we francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych (CNRS).
Niccolai, który zaproponował eksperyment, wyjaśnił, że to osiągnięcie zapewni cenny wgląd w strukturę i spin zarówno neutronów, jak i protonów, pogłębiając naszą wiedzę o zachowaniu nukleonów.
Wgląd w strukturę nukleonów
Nukleony składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami i gluonami. Fizycy nie do końca rozumieją, w jaki sposób te cząstki składowe są rozmieszczone wewnątrz nukleonów ani w jaki sposób przyczyniają się one do ogólnego spinu nukleonów. Eksperymentatorzy wykorzystują urządzenie do akceleratora ciągłej wiązki elektronów (CEBAF), narzędzie użytkownika Departamentu Nauki DOE, do sondowania tych cząstek, rozpraszania elektronów od celów nukleonowych i wykrywania końcowych produktów tych reakcji.
Jedna reakcja nazywana jest głęboko wirtualnym rozpraszaniem Comptona (DVCS). W DVCS elektron oddziałuje z celem nukleonowym. Nukleon absorbuje część energii elektronu i emituje a fotonale nie pęka. Ostatecznie można wykryć trzy cząstki: uderzony nukleon, wyemitowany przez niego foton i elektron, który z nim oddziałuje.
Naukowcy intensywnie badali DVCS przy użyciu detektora CLAS12, czyli spektrometru dużej akceptacji CEBAF przy energii wiązki 12 GeV, a także jego poprzednika, CLAS. Jednakże detektory CLAS i CLAS12 w hali B były głównie wykorzystywane do badania DVCS na protonie, który jest łatwiejszy do zmierzenia niż DVCS na neutronie.
Neutrony biorące udział w DVCS są trudniejsze do wykrycia, ponieważ mają tendencję do rozpraszania się pod kątem 40 stopni w górę od linii wiązki, czyli do obszaru, do którego CLAS12 nie ma dostępu.
Opracowanie Centralnego Detektora Neutronów
„W standardowej konfiguracji nie było możliwości wykrycia neutronów pod tymi kątami” – powiedział Niccolai. W 2007 roku zaczęła myśleć o tym, jak w ramach współpracy fizyków jądrowych w ramach CLAS można by zmierzyć te neutrony. Jej rozwiązanie? Centralny Detektor Neutronów.
Niccolai i jej zespół z Laboratorium Fizyki Dwóch Nieskończoności Irène Joliot-Curie (IJCLab), wspólnej jednostki badawczej CNRS w Orsay we Francji, uniwersytetów Paris-Saclay i uniwersytetów Paris-City, rozpoczęli budowę detektora w 2011 roku dzięki funduszom francuskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej i Cząstek.
Zespół ukończył detektor w 2015 roku. Dwa lata później zainstalowano go w CLAS12. Pierre Chatagnon, doktorant ówczesny student Uniwersytetu Paris-Saclay dołączył do zespołu IJCLab w Jefferson Lab, aby zainstalować detektor. Napisał także oprogramowanie do jego kalibracji. Dziś wrócił do Jefferson Lab w ramach stażu podoktorskiego w hali B.
Pokonywanie wyzwań technicznych
Centralny detektor neutronów zebrał dane w latach 2019–2020. Chociaż był w stanie pokryć kąty niezbędne do wykrycia neutronów, Niccolai i jej zespół podczas analizy danych napotkali nieoczekiwany problem: zanieczyszczenie protonami.
Detektor został zaprojektowany tak, aby odrzucać naładowane sygnały nieneutronowe. Odkryli jednak, że część detektora odpowiedzialna za wetowanie protonów ma martwe strefy, umożliwiające protonom wkradanie się i zanieczyszczanie pomiarów neutronów.
Na szczęście Adam Hobart, badacz z IJCLab, który kierował analizą danych w tym eksperymencie, był w stanie oczyścić dane.
„Problem został rozwiązany dzięki doświadczeniu Adama w używaniu uczenie maszynowe technik” – powiedział Niccolai. „Opracował narzędzie oparte na ML do odróżniania fałszywych sygnałów od prawdziwych neutronów, co było niezbędne do osiągnięcia ostatecznych wyników”.
Zastosowanie tych technik ML z centralnym detektorem neutronów umożliwiło wykonanie pierwszych pomiarów DVCS na neutronie, które bezpośrednio wykrywają neutron uczestniczący w reakcji. Pomiędzy elektronem wiązki a celem nukleonowym może zachodzić wiele procesów; bezpośrednie wykrycie neutronu daje badaczom pewność, że rzeczywiście wykrywają DVCS.
„Jeśli nie wykrywa się neutronu, istnieje pewien zakres możliwości zachodzącego procesu, a wówczas dokładność obserwacji, które można zmierzyć później, jest mniejsza” – powiedział Hobart.
Postęp fizyki jądrowej
Ramy teoretyczne znane jako uogólnione rozkłady partonów (GPD) przekształcają pomiary pochodzące z eksperymentów rozpraszania w informacje o rozmieszczeniu partonów, zbiorczej nazwy kwarków i gluonów, wewnątrz nukleonów. Istnieją cztery typy GPD. Pomiary neutronów przeprowadzone w tym eksperymencie umożliwiły badaczom dostęp do jednego z najmniej znanych typów, oznaczanego jako GPD E.
Podczas eksperymentu wiązka CEBAF-u była spolaryzowana, co oznacza, że spiny jej elektronów były skierowane w tym samym kierunku. Umożliwiło to naukowcom wyodrębnienie obserwowalnej, zwanej asymetrią, zależnej od spinu wiązki. Dzięki tej asymetrii udało im się wyodrębnić GPD E z niespotykaną dotąd precyzją.
„GPD E jest bardzo ważny, ponieważ może dostarczyć nam informacji na temat struktury spinowej nukleonów” – powiedział Niccolai.
W połączeniu z innymi GPD, GPD E można wykorzystać do ilościowego określenia udziału kwarków składowych w całkowitym spinie nukleonu, który jest obecnie nieznany. Chociaż obliczenia te zostaną przeprowadzone w przyszłych pracach, w tej pracy badacze wykonali kolejny krok w kierunku rozwiązania tak zwanego „kryzysu spinu nukleonów”.
Nukleony zawierają dwa typy lub rodzaje kwarków: górny i dolny. Proton ma dwa kwarki górne i jeden dolny; neutron ma dwa kwarki dolne i jeden kwark górny. GPD można podzielić według smaku twarogu.
Połączenie pomiarów DVCS na neutronie z wcześniejszymi pomiarami DVCS na protonie umożliwiło naukowcom po raz pierwszy oddzielenie urojonych części GPD E i H według smaku kwarku. Oddzielenie rozkładów kwarków górnego i dolnego pomoże fizykom zrozumieć, w jaki sposób różne rodzaje kwarków wpływają na spin nukleonu.
Teoretycy Maria Čuić i Krešimir Kumerički również przyczynili się do tego pierwszego rozdzielenia smaków, ale praca całej współpracy CLAS była kluczowa dla osiągnięcia tych pionierskich wyników.
„Musimy wyrazić wdzięczność całej współpracy CLAS” – powiedział Hobart. „Pobieranie i przetwarzanie danych to praca oparta na współpracy.”
Przyszłe kierunki i osiągnięcia
Mając dowód na słuszność tej zasady, badacze planują w przyszłości zebrać więcej danych za pomocą CLAS12 i Centralnego Detektora Neutronów, aby dokonać jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów.
„Ale ten pierwszy wynik jest poważny” – powiedział Niccolai. „To jak zakończenie cyklu i życiowe osiągnięcie, bo to pierwszy projekt, za który wziąłem pełną odpowiedzialność w swojej karierze. Wreszcie osiągnięcie fizycznie znaczącego wyniku i jego publikacja sprawiają, że czuję się, jakbym urodziła kolejne dziecko”.
Odniesienie: „First Measurement of Deeply Virtual Compton Scattering on the Neutron with Detection of the Active Neutron” autorstwa CLAS Collaboration, A. Hobart, S. Niccolai, M. Čuić, K. Kumerički, P. Achenbach, JS Alvarado, WR Armstrong, H. Atac, H. Avakian, L. Baashen, NA Baltzell, L. Barion, M. Bashkanov, M. Battaglieri, B. Benkel, F. Benmokhtar, A. Bianconi, AS Biselli, S. Boiarinov, M. Bondi, WA Booth, F. Bossù, K.-Th. Brinkmann, WJ Briscoe, WK Brooks, S. Bueltmann, VD Burkert, T. Cao, R. Capobianco, DS Carman, P. Chatagnon, G. Ciullo, PL Cole, M. Contalbrigo, A. D’Angelo, N. Dashyan , R. De Vita, M. Defurne, A. Deur, S. Diehl, C. Dilks, C. Djalali, R. Dupre, H. Egiyan, A. El Alaoui, L. El Fassi, L. Elouadrhiri, S. Fegan, A. Filippi, C. Fogler, K. Gates, G. Gavalian, GP Gilfoyle, D. Glazier , RW Gothe, Y. Gotra, M. Guidal, K. Hafidi, H. Hakobyan, M. Hattawy, F. Hauenstein, D. Heddle, M. Holtrop, Y. Ilieva, DG Ireland, EL Isupov, H. Jiang, HS Jo, K. Joo, T. Kageya, A. Kim, W. Kim, V. Klimenko, A. Kripko , V. Kubarovsky, SE Kuhn, L. Lanza, M. Leali, S. Lee, P. Lenisa, X. Li, IJD MacGregor, D. Marchand, V. Mascagna, M. Maynes, B. McKinnon, ZE Meziani, S. Migliorati, RG Milner, T. Mineeva, M. Mirazita, V. Mokeev, C. Muñoz Camacho, P. Nadel-Turonski, P. Naidoo , K. Neupane, G. Niculescu, M. Osipenko, P. Pandey, M. Paolone, LL Pappalardo, R. Paremuzyan, E. Pasyuk, SJ Paul, W. Phelps, N. Pilleux, M. Pokhrel, S. Polcher Rafael, J. Poudel, JW Price, Y. Prok, T. Reed, J. Richards, M .Ripani, J. Ritman, P. Rossi, AA Golubenko, C. Salgado, S. Schadmand, A. Schmidt, Marshall BC Scott, EM Seroka, YG Sharabian, EV Shirokov, U. Shrestha, N. Sparveris, M. Spreafico, S. Stepanyan, II Strakovsky, S. Strauch, JA Tan, N. Trotta, R. Tyson, M. Ungaro, S Vallarino, L. Venturelli, V. Tommaso, H. Voskanyan, E. Voutier, DP Watts, X. Wei, R. Williams, MH Wood, L. Xu, N. Zachariou, J. Zhang, ZW Zhao i M. Zurek, 20 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211903
