A medição de primeira linha pode ajudar os físicos a aprender sobre os glúons, que mantêm os núcleos em átomos

Uma equipe de físicos embarcou em uma jornada onde poucos outros foram: na cola que liga núcleos atômicos. A medição resultante, que foi extraída de dados experimentais obtidos na instalação do Acelerador Nacional do Departamento de Energia dos EUA, é a primeira do gênero e ajudará os físicos a partir de partículas de imagem chamadas glúons.

O artigo revelando os resultados é publicado e apresentado como sugestão de um editor em Cartas de revisão física.

Os glúons mediam a força forte que “colas” juntos quarks, outro tipo de partícula subatômica, para formar os prótons e nêutrons situados no centro de átomos de matéria comum. Embora as medições anteriores tenham permitir que os pesquisadores aprendessem sobre a distribuição de glúons em prótons solitários ou nêutrons, eles sabem menos sobre como os glúons se comportam dentro de prótons ou nêutrons ligados aos núcleos.

“Este resultado representa um grande passo em frente ao aprender sobre onde esse campo de gluon está localizado em um Proton“Disse Axel Schmidt, professor assistente de física da Universidade George Washington e um investigador principal deste trabalho.” Vemos evidências de que isso pode estar mudando quando um próton ou nêutron está dentro de um núcleo “.

Uma partícula guia charmosa

Por mais de quatro décadas, a comunidade de física sabe que os quarks, os blocos de construção do nosso universo visível, se movem mais devagar quando compõem um próton ou nêutron que está dentro de um núcleo atômico em comparação com um próton ou nêutrons solitário. Mas os físicos não foram capazes de descobrir por que esse fenômeno, conhecido como efeito EMC, ocorre.

Para saber mais sobre isso e a força forte em geral, os físicos precisam investigar os glúons da maneira como investigaram quarks. No entanto, a medição da distribuição de glúons, que são neutros, é mais desafiadora do que medir a distribuição de quarks com carregados eletricamente.

“Estudando essas partículas neutras que apenas interagem pelo força forte é muito mais difícil “, disse Lucas Ehinger, estudante de graduação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que trabalhou na análise que levou a essa medição.” Sabemos muito menos sobre eles e sua dinâmica em núcleos, incluindo se há algum tipo de efeito potencial de EMC com eles “.

Este trabalho dá um passo para mudar isso. E faz isso medindo uma partícula diferente: J/ψ (ou J/psi).

O experimento foi realizado na instalação de acelerador de feixe de elétrons contínuos da Jefferson Lab, uma instalação de usuário do DOE que suporta a pesquisa de mais de 1.650 físicos nucleares em todo o mundo. As vigas de elétrons de Cebaf podem ser usadas para produzir feixes de fótons de alta energia para experimentos que exploram núcleos atômicos.

Atirar um feixe de fótons em prótons e nêutrons pode produzir partículas J/ψ, que cada uma decanta prontamente em um elétron e pósitron. Detectar este par mostra quantos J/ψ foram produzidos durante um experimento. J/ψ é feito de quarks de charme. Como os quarks de charme, um dos seis sabores de quarks, não fazem parte do próton ou do nêutron, os físicos sabem que J/ψ nasce da interação entre o fóton e o gluon, que pode produzir partículas que contêm qualquer sabor do quark.

A produção de J/ψ é uma ferramenta bem conhecida para estudar distribuições de gluon. Experimentos anteriores no Jefferson Lab usaram um feixe de fótons para medir a produção J/ψ de um próton solitário no detector Gluex. Para produzir J/ψ, que é uma partícula pesada, a energia do feixe de fótons tinha que ser muito alta – pelo menos 8,2 Gev.

Neste trabalho, a equipe experimental também usou um feixe de fótons para produzir J/ψ. No entanto, eles foram capazes de fazê -lo usando fótons abaixo do limiar de energia 8.2 GeV e medir os resultados no detector Gluex.

Isso foi possível porque eles estavam usando núcleos diferentes como alvos: deutério, hélio e carbono. Ao contrário de um próton solitário ou nêutron Alvo, os prótons e nêutrons dentro desses núcleos estão se movendo. Deles energia cinética Combina com a energia do fóton abaixo do limiar e, juntos, eles oferecem energia suficiente para criar J/ψ.

Como resultado, a equipe foi a primeira a medir a fotoprodução J/ψ abaixo do limiar de energia de fótons necessário para um próton estacionário. Como essa medição foi retirada de núcleos, ele imagens a cola mantendo prótons e nêutrons ligados dentro do núcleo.

“Estamos nessa fronteira da cola nuclear. Essencialmente, nada se sabe, então tudo o que você mede é informativo”, disse ou galinha, professora de física do MIT e pesquisador principal deste trabalho. “É tremendous emocionante e tremendous difícil ao mesmo tempo”.

Traçando um mapa para medições futuras

Uma razão pela qual essa medição do Pathfinder foi difícil é porque não havia medições anteriores para guiá -la. Embarcando na análise, a equipe não tinha certeza de que period possível. O experimento que coletou esses dados não deveria medir originalmente a produção sublimiar J/ψ; Foi mais um complemento esperançoso.

Felizmente, os pesquisadores tinham Jackson Pybus em sua equipe. Pybus liderou a maior parte da análise enquanto period um estudante de graduação no MIT. Ele chamou seu treinamento durante um verão no exterior na Alemanha. Lá, ele havia trabalhado com um teórico para aprender sobre a dinâmica da frente leve.

Essa abordagem geralmente se aplica às teorias do campo quântico, que descrevem o comportamento das partículas relativísticas (partículas se aproximando da velocidade da luz). Nesta pesquisa, é mais útil na descrição de sistemas de partículas como núcleos. A aplicação de truques desse método teórico permitiu que o PYBUS e a equipe extraiam essa medição.

“Este trabalho é único em termos de que a física nos ensina, mas também em termos das técnicas que um estudante de graduação implementou para obter essa física”, disse Hen. “Nenhum de nós, exceto Jackson, seria capaz de fazer esse trabalho. Ele merece muito crédito”.

Quando os experimentalistas compararam sua medição do sublimiar com previsões teóricas, viram que mais J/ψ foram produzidos do que a teoria prevista. Essa disparidade sugere que a cola nuclear se comporta de maneira diferente da cola em prótons ou nêutrons solitários, mas são necessários mais dados para determinar exatamente como. Felizmente, esses resultados servirão como um mapa para orientar medidas futuras semelhantes.

“Agora que sabemos que podemos fazer essa medição, gostaríamos de otimizar um experimento mais longo para medir isso em detalhes e definir quantitativamente alguns desses efeitos potencialmente exóticos, onde realmente só temos uma primeira olhada no momento”, disse Pybus, que agora é um pós -doutorado no Laboratório Nacional de Los Alamos.

Os dados utilizados neste trabalho-feitos por apenas dezenas de medições J/ψ foram coletados durante uma corrida de seis semanas relativamente curta em 2021. A equipe está propondo um experimento dedicado ao estudo da cola nuclear, novamente usando o feixe de fótons de Cebaf com o aparelho de cola.

“Think about o que poderíamos fazer se tivéssemos 100 dias de tempo dedicado ao acelerador para realmente estudar essa reação”, disse Hen. “Agora estamos fazendo o trabalho árduo de mapear a fronteira da forte força nuclear com a esperança de que um dia – talvez não durante a vida – o conhecimento aprimorado da humanidade permitirá uma melhor tecnologia e fontes de energia mais sustentáveis”.

Esses resultados também podem orientar os experimentos de gluon no próximo colisor de íons eletrônicos (EIC), que planeja investigar ainda mais os glúons.

“Gostaríamos de aprender sobre esse problema e ter um bom identificador do que está acontecendo e onde procurar antes dessa máquina ligando”, disse Schmidt.