Badania z CERN-u rzucają wyzwanie popularnej teorii zachowania gluonów w jądrze atomu
Chociaż kwarki są opisywane jako podstawowe cegiełki materii, niemal cała masa widzialnego wszechświata – od atomów w naszych organizmach po materię wewnątrz gwiazd – pochodzi tak naprawdę z energii gluonów i oddziaływań silnych, które łączą kwarki ze sobą. Zatem zrozumienie, jak gluony zachowują się wewnątrz jądra atomowego jest niezbędne do zrozumienia, jak materia nabywa masę i strukturę, mówi profesor fizyki i astronomii Daniel Tapia Takaki z University of Kansas, który pracuje przy eksperymencie ALICE w CERN-ie.
Naukowcy wykorzystali dane zebrane podczas drugiego etapu pracy Wielkiego Zderzacza Hadronów, kiedy pędzące jądra ołowiu mijają się blisko siebie, nie zderzając się bezpośrednio. Otaczające je silne pola elektromagnetyczne zachowują się wtedy jak wiązki wysokoenergetycznych fotonów. Gdy taki foton uderza w sąsiednie jądro, może na krótko wytworzyć czarmonium (mezon J/ψ), której produkcja jest czułą sondą struktury gluonowej.
Kluczem do sukcesu był wybór konkretnej wersji tego procesu – tzw. niekoherentnej fotoprodukcji J/ψ. W odróżnieniu od pomiarów uśredniających całe jądro, ten proces jest czuły na lokalne fluktuacje gęstości gluonów, dzięki czemu pozwala badać struktury mniejsze niż pojedynczy proton.
Tapia Takaki porównuje to przejście do zamiany rozmytego zdjęcia na obraz z mikroskopu wysokiej rozdzielczości. Zmieniając pęd przekazany w oddziaływaniu, naukowcy w praktyce zmieniali „ostrość” swojego mikroskopu, badając kolejno struktury o rozmiarach 0,6, 0,3 i 0,2 femtometra. Najdokładniejszy z tych pomiarów sięga struktur wielkości zaledwie jednej promienia czwartej protonu. Jak ujął to badacz, gdyby jądro atomowe było wielkości stadionu piłkarskiego, ta najwyższa rozdzielczość pozwalałaby rozróżnić szczegóły wielkości zaledwie kilku metrów na murawie.
I właśnie w tych najmniejszych skalach pojawił się najciekawszy wynik: produkcja cząstek J/ψ okazała się wyraźnie stłumiona, z istotnością na poziomie około trzech odchyleń standardowych. Jest to zgodne z teorią o nasyceniu gluonów, która przewiduje, że przy bardzo wysokich energiach gluonów robi się tak dużo, że zaczynają „zderzać się” same ze sobą i zlewać w mniejszą liczbę większych struktur.
Wynik ten stawia pod znakiem zapytania dotychczasowe, dobrze sprawdzone wyjaśnienie zwane cieniowaniem jądrowym. W tym modelu gluony wewnątrz jądra częściowo się przesłaniają co zmniejsza prawdopodobieństwo powstania pewnych cząstek. Nowe dane pokazują jednak, że samo cieniowanie nie tłumaczy w pełni obserwacji. Znacznie lepiej pasuje obraz nasycenia gluonów, przewidziany przez chromodynamikę kwantową: gluony są tak gęsto upakowane, że zaczynają silnie ze sobą oddziaływać, co ogranicza, ile ich może zmieścić się w danym obszarze.
Szczegóły badań opisano w artykule Evidence for J/Psi Suppression in Incoherent Photonuclear Production.
Komentarze (0)