A NOVE Framework conecta descrições de física nuclear e de partículas dos constituintes do núcleo, abrindo a porta para descrições precisas da dinâmica de próton-neutron/quark-gluon em núcleos
Newport Information, VA – Dentro do núcleo do átomo, os blocos de construção da matéria são tudo menos estáticos. Partículas individuais estão em constante estado de movimento energético, como dançarinos em uma pista de dança, girando por conta própria ou brevemente juntos em um padrão que apenas entendem e para uma música que só podem ouvir. Em um novo estudo, os físicos nucleares e de partículas uniram forças e estão aprendendo a interpretar os padrões de comportamento nuclear dos movimentos dessas partículas.
Uma das principais missões da instalação de acelerador nacional de Thomas Jefferson do Departamento de Energia é estudar a estrutura de núcleos atômicosque são responsáveis pela maior parte da massa de matéria comum. Núcleos atômicos são compostos de prótons e nêutronsque, por sua vez quarks e glúons.
Os físicos sabem de experimentos anteriores que o que acontece na escala nuclear de prótons e nêutrons também afeta seus quarks e glúteis constituintes – eles simplesmente não sabem exatamente como ainda. Uma nova estrutura aproveitou correlações de curto alcance para decifrar a coreografia das partículas e revelar essa conexão.
As correlações de curto alcance são flutuações mecânicas quânticas que ocorrem entre prótons e nêutrons quando estão próximos e interagem fortemente. Eles são um fenômeno exótico e common que ocorrem em todos os núcleos e afetam uma fração considerável de núcleons no núcleo. Nos resultados publicados em Cartas de revisão física e também apareceu em Physics World 2024 “Prime 10 Ideas of the Yr,”Uma equipe de físicos nucleares e de partículas fornece evidências de que esses pares temporários de prótons e nêutrons afetam a distribuição de seus quarks e glúons constituintes.
“Não é óbvio que essas correlações de curto alcance afetariam os quarks, mas o fazem”, disse Cynthia Keppel, diretora associada de física nuclear experimental de Jefferson Lab e um dos pesquisadores que contribuem para este estudo. “Você não espera que isso aconteça porque os quarks são muito menores que os prótons e nêutrons. Mas isso mostra que o núcleo está afetando as coisas nos pequenos níveis. ”
O estudo desses pares correlacionados ajudará os físicos a aprender mais sobre as partículas que moldam nossa existência.
“Este trabalho é um passo para entender nosso universo visível”, disse Andrew Dennistonum pesquisador de estudantes de pós -graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e autor principal no artigo publicado recentemente. Denniston é um membro do professor Ou galinhaGrupo de pesquisa do MIT.
“Esse resultado surpreendente aumenta significativamente nossa compreensão da ligação nuclear”, comentou Tomas Jezo, membro do corpo docente do Instituto de Física Teórica da Universidade de Münster, e uma liderança com Michael Klasen da equipe de Münster, que desempenhou um papel essencial neste Projeto Internacional Colaborativo.
Uma abordagem interdisciplinar
Embora a física nuclear e de partículas seja frequentemente considerada como descrevendo diferentes regimes do universo, dentro do núcleo do átomo, eles se sobrepõem. Neste trabalho, os físicos nucleares e os físicos de partículas colaboraram para desenvolver uma nova estrutura que descreva consistentemente a estrutura de partículas (quark-gluon) e nuclear (proton-neutron) dos núcleos, incluindo as correlações complexas que existem entre os dois.
“Este trabalho apresenta um paradigma inovador que estabelece uma ligação direta entre a descrição da física nuclear da matéria em termos de prótons e nêutrons e o esquema de física de partículas em termos de quarks e glúons”, disse Fredrick Olness, professor de física da Universidade Metodista do Sul. “Reunir as duas comunidades foi um elemento -chave para alcançar esse novo perception.”
Olness, um físico de partículas, geralmente estuda quarks e glúons. Denniston e seu consultor do MIT ou galinha, físicos nucleares, estudam correlações de curto alcance entre prótons e nêutrons.
Com a contribuição de Klasen, Ježo, Keppel, Olness e outros colaboradores deste trabalho, Denniston e Hen propuseram equações que combinam modelos de partículas e física nuclear para separar como os quarks e os glúons se movem, dependendo se estiverem em pares de proton-neutrons correlacionados de curto alcance ou não.
“Este trabalho foi amplamente realizado com a genuína contribuição científica de jovens cientistas, o que é ótimo”, disse Keppel na contribuição de Denniston. “É uma alegria ter esse tipo de colaboração.”
A equação formou a base de uma estrutura que combina informações das funções de distribuição nuclear de Parton com informações sobre correlações de curto alcance. As funções de distribuição de Parton nucleares descrevem quanto momento cada quark está carregando, enquanto as correlações de curto alcance envolvem os prótons e nêutrons mais altos no momento. Um ponto-chave sobre correlações de curto alcance é sua universalidade: eles se comportam o mesmo em todos os núcleos em que foram medidos até agora.
Para testar o quão bem essa nova estrutura de PDF nuclear descreveu dados reais, a equipe os conectou a um código desenvolvido pelo projeto teórico-experimental coordenado nuclear no QCD (NCTEQ). Olness é um membro fundador da NCTEQ, uma colaboração multi-institucional focada no QCD ou na cromodinâmica quântica, a teoria de como os quarks e os glúons interagem.
Um objetivo da colaboração é estudar estruturas nucleares, um projeto que Keppel abordou como membro do NCTEQ. Como ex -porta -voz da CTEQ, Keppel sugeriu inicialmente a colaboração com o grupo de pesquisa nuclear de Hen no MIT.
O código NCTEQ aplicou o PDF nuclear a cerca de 1.500 pontos de dados que medem 19 núcleos diferentes, variando de hidrogênio, que tem apenas um próton, para liderar, que possui 208 prótons e nêutrons. Os dados foram coletados durante uma variedade de experimentos em laboratórios nos EUA e em todo o mundo, incluindo Jefferson Lab.
“A adição dos dados do Jefferson Lab ao ajuste do CTEQ nuclear foi elementary para este trabalho, pois é o mais sensível a correlações de curto alcance”, disse Keppel.
A equipe ficou surpresa ao descobrir que esse novo modelo descreveu os dados melhor do que a abordagem tradicional.
“Notavelmente, o modelo funciona excepcionalmente bem, revelando que, embora alguns prótons e nêutrons se comportem como fora do núcleo, outros, particularmente os de pares correlacionados, exibem estruturas drasticamente diferentes”, disse Hen. “Mostramos isso antes para um caso muito específico, conhecido como efeito EMC. Agora, conseguimos generalizar nossa abordagem e usá -la para explicar consistentemente muitos fenômenos diferentes anteriormente considerados não relacionados ”
Ficando específico com núcleos
Este trabalho também revelou padrões interessantes no nível nuclear. A análise permitiu à equipe extrair previsões para o número de prótons e nêutrons em pares correlacionados para diferentes núcleos.
Núcleos mais pesados, como ouro e chumbo, contêm muito mais nêutrons que prótons. Apesar disso, a equipe descobriu que os prótons e nêutrons formam predominantemente pares de proton-neutron de curto alcance, não pares de nêutrons-neutron ou próton-próton. Esse padrão já havia sido mostrado em dados de física nuclearentão, vê-lo replicado aqui em um modelo construído sobre a descrição do Gark-Gluon dos núcleos vincula diretamente esses dois reinos.
“Embora o número de prótons e nêutrons fosse diferente, se você calcular os números que parecem estar participando desse emparelhamento, isso sai o mesmo”, disse Michael Klasen. “Os resultados experimentais estão tentando nos dizer algo. O que é, ainda não sabemos. ”
O resultado também oferece um método para verificar ainda mais esse modelo de estrutura nuclear com futuras experiências nas instalações de acelerador de feixe de elétrons contínuos do Jefferson Lab. CEBAF é a Acelerador de partículas e o escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE para físicos nucleares estudando os detalhes de matéria nuclear. Muitos detalhes das correlações de curto alcance e seu comportamento nos núcleos foram medidos e confirmados com CEBAF.
Agora, este modelo oferece a oportunidade de fazer previsões para correlações de curto alcance em núcleos que até agora não foram medidos, mas poderiam ser verificados em futuras experiências de CEBAF.
Além disso, o modelo oferece a possibilidade de revelar mais sobre os detalhes da estrutura nuclear.
Como mencionado anteriormente, a composição de diferentes núcleos atômicos pode variar muito. Alguns são compostos de quantidades iguais de prótons e nêutrons, enquanto outros núcleos exibem grandes disparidades entre os dois tipos. Certos núcleos têm um “número mágico” de prótons ou nêutrons, que formam uma concha completa e aumentam a estabilidade desses núcleos.
As abordagens anteriores foram mais generalizadas e não representam números mágicos e outras características especiais dos núcleos. Em vez de generalizar, a nova estrutura leva em consideração essas propriedades, o que permitirá que os físicos considerem como as propriedades distintas dos núcleos individuais afetam as distribuições de seus quarks e glúons constituintes.
“Acho que o maior avanço deste trabalho é como somos capazes de modelar núcleos nesses tipos de cálculos”, disse Olness.
A estrutura pode ser usada para diferentes tipos de experimentos que precisam modelar núcleos. Os dados dessas experiências também ajudarão a aumentar a precisão do modelo, que tem medições limitadas em certos núcleos, e testará as distribuições extraídas de pares correlacionados de curto alcance.
“Esse perception tem implicações abrangentes, particularmente para a física de íons pesados e de íons pesados de alta energia, e afetará significativamente os experimentos no próximo colisor de íons eletrônicos”, disse Hen. Hen também é o atual presidente do Grupo de Usuários de Ion-íon de íons eletrônicos de 1.400 membros.
O Collider de íons eletrônicos (EIC)um projeto conjunto entre Jefferson Lab e Laboratório Nacional Brookhaven de Doeé um acelerador de partículas que será construído no Brookhaven Lab em Lengthy Island, Nova York. O EIC colide com elétrons com núcleos atômicos para melhorar nossa compreensão dos blocos de construção da matéria.
A interpretação das medições nucleares de alta precisão da EIC exigirá equações de alta precisão de estrutura nuclear, e essa estrutura é um candidato promissor nessa busca.
Contato: Kandice Carter, Jefferson Lab Communications Workplace, [email protected]
