Erstes zusammenhängendes Bild eines Atomkerns aus Quarks und Gluonen

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, Teilchen, die durch die Wechselwirkung von Quarks entstehen, die durch Gluonen verbunden sind. Es scheint daher nicht schwierig zu sein, alle Eigenschaften von Atomkernen zu reproduzieren, die bisher in Kernexperimenten nur mit Quarks und Gluonen beobachtet wurden. Allerdings ist dies erst jetzt Physikern, unter anderem vom Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau, gelungen.

Es ist fast ein Jahrhundert her, seit die Hauptbestandteile von Atomkernen entdeckt wurden: Protonen und Neutronen. Zunächst galten die neuen Teilchen als unteilbar. In den 1960er Jahren gab es jedoch die Vermutung, dass Protonen und Neutronen bei ausreichend hohen Energien ihre innere Struktur offenbaren würden – das Vorhandensein von Quarks, die ständig durch Gluonen zusammengehalten werden.

Bald darauf wurde die Existenz von Quarks experimentell bestätigt. Es mag daher überraschend erscheinen, dass trotz vieler Jahrzehnte niemand in der Lage war, mit Quark-Gluon-Modellen die Ergebnisse von Kernexperimenten bei niedrigen Energien zu reproduzieren, wenn in Atomkernen nur Protonen und Neutronen sichtbar sind.

Dieser langjährige Stillstand wurde erst jetzt in einem Papier durchbrochen veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung. Die Hauptautoren sind Wissenschaftler der internationalen nCTEQ-Kollaboration zu Quark-Gluon-Verteilungen, darunter auch vom Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau.

„Bisher gab es zwei parallele Beschreibungen von Atomkernen, eine basierend auf Protonen und Neutronen, die wir bei niedrigen Energien sehen können, und eine andere für hohe Energien, basierend auf Quarks und Gluonen. In unserer Arbeit ist es uns gelungen, Folgendes zusammenzubringen.“ diese beiden bisher getrennten Welten zusammen“, sagt Dr. Aleksander Kusina, einer der drei an der Forschung beteiligten Theoretiker vom IFJ PAN.

Menschen sehen ihre Umgebung, weil sie angeborene Detektoren (Augen) verwenden, um gestreute Photonen zu registrieren, die zuvor mit den Atomen und Molekülen interagiert haben, aus denen die Objekte unserer Umwelt bestehen. Auf ähnliche Weise erlangen Physiker Erkenntnisse über Atomkerne: Sie lassen sie mit kleineren Teilchen kollidieren und analysieren die Ergebnisse der Kollisionen akribisch.

Aus praktischen Gründen verwenden sie jedoch keine elektrisch neutralen Photonen, sondern geladene Elementarteilchen, meist Elektronen. Experimente zeigen dann, dass sich Atomkerne bei relativ niedrigen Energien der Elektronen so verhalten, als bestünden sie aus Nukleonen (also Protonen und Neutronen), während bei hohen Energien Partonen (also Quarks und Gluonen) im Inneren der Atomkerne „sichtbar“ sind.

Die Ergebnisse der Kollision von Atomkernen mit Elektronen wurden mithilfe von Modellen recht gut reproduziert, die die Existenz von Nukleonen allein zur Beschreibung niederenergetischer Kollisionen und von Partonen allein zur Beschreibung hochenergetischer Kollisionen annehmen. Allerdings konnten diese beiden Beschreibungen bisher nicht zu einem kohärenten Bild zusammengeführt werden.

Für ihre Arbeit nutzten Physiker des IFJ PAN Daten zu hochenergetischen Kollisionen, unter anderem solche, die am LHC-Beschleuniger im CERN-Labor in Genf gesammelt wurden. Das Hauptziel bestand darin, die partonische Struktur von Atomkernen bei hohen Energien zu untersuchen, die derzeit durch Partonenverteilungsfunktionen (PDFs) beschrieben wird.

Diese Funktionen werden verwendet, um abzubilden, wie Quarks und Gluonen innerhalb von Protonen und Neutronen sowie im gesamten Atomkern verteilt sind. Mit PDF-Funktionen für den Atomkern ist es möglich, experimentell messbare Parameter zu bestimmen, beispielsweise die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Teilchen bei einem Elektron- oder Protonenstoß mit dem Atomkern entsteht.

Aus theoretischer Sicht bestand der Kern der in diesem Artikel vorgeschlagenen Innovation in der geschickten Erweiterung der Partonenverteilungsfunktionen, inspiriert von den Kernmodellen, die zur Beschreibung niederenergetischer Kollisionen verwendet wurden, bei denen angenommen wurde, dass sich Protonen und Neutronen zu stark wechselwirkenden Paaren verbinden von Nukleonen: Proton-Neutron, Proton-Proton und Neutron-Neutron.

Der neuartige Ansatz ermöglichte es den Forschern, für die 18 untersuchten Atomkerne Partonenverteilungsfunktionen in Atomkernen, Partonenverteilungen in korrelierten Nukleonenpaaren und sogar die Anzahl solcher korrelierten Paare zu bestimmen.

Die Ergebnisse bestätigten die aus Niedrigenergieexperimenten bekannte Beobachtung, dass die meisten korrelierten Paare Protonen-Neutronen-Paare sind (dieses Ergebnis ist besonders interessant für schwere Kerne, z. B. Gold oder Blei). Ein weiterer Vorteil des in diesem Artikel vorgeschlagenen Ansatzes besteht darin, dass er eine bessere Beschreibung der experimentellen Daten liefert als die herkömmlichen Methoden zur Bestimmung der Partonenverteilungen in Atomkernen.

„In unserem Modell haben wir Verbesserungen vorgenommen, um das Phänomen der Paarung bestimmter Nukleonen zu simulieren. Denn wir haben erkannt, dass dieser Effekt auch auf der Parton-Ebene relevant sein könnte. Interessanterweise ermöglichte dies eine konzeptionelle Vereinfachung der theoretischen Beschreibung, was auch der Fall sein sollte.“ „In Zukunft können wir Partonenverteilungen für einzelne Atomkerne genauer untersuchen“, erklärt Dr. Kusina.

Die Übereinstimmung zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Daten bedeutet, dass es mit dem Parton-Modell und Daten aus dem Hochenergiebereich erstmals möglich war, das Verhalten von Atomkernen zu reproduzieren, das bisher ausschließlich durch nukleonische Beschreibung und Daten aus dem Niederenergiebereich erklärt wurde -Energiekollisionen. Die Ergebnisse der beschriebenen Studien eröffnen neue Perspektiven für ein besseres Verständnis der Struktur des Atomkerns und vereinen seine hoch- und niederenergetischen Aspekte.