Neue Experimente zur tiefinelastischen Streuung messen zwei Spiegelkerne

Wissenschaftler halten Protonen und Neutronen einen „Spiegel“ vor, um mehr über die Teilchen zu erfahren, aus denen unser sichtbares Universum besteht. Das MARATHON-Experiment, das an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums durchgeführt wurde, hat durch den Vergleich der sogenannten Spiegelkerne, Helium-3 und Triton, neue Details über die Strukturen dieser Teilchen erhalten. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Die fundamentalen Teilchen, die den größten Teil der Materie bilden, die wir im Universum sehen – Quarks und Gluonen – sind tief in den Protonen und Neutronen vergraben, den Nukleonen, aus denen Atomkerne bestehen. Die Existenz von Quarks und Gluonen wurde erstmals vor einem halben Jahrhundert in mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Experimenten bestätigt, die am Stanford Linear Accelerator Center des DOE (heute bekannt als SLAC National Accelerator Laboratory) durchgeführt wurden.

Diese ersten Experimente ihrer Art leiteten die Ära der tiefinelastischen Streuung ein. Diese experimentelle Methode nutzt hochenergetische Elektronen, die tief in Protonen und Neutronen wandern, um dort die Quarks und Gluonen zu untersuchen.

„Wenn wir von tiefinelastischer Streuung sprechen, meinen wir, dass Kerne, die mit Elektronen im Strahl bombardiert werden, sofort aufbrechen und dadurch die darin enthaltenen Nukleonen freilegen, wenn die gestreuten Elektronen mit hochmodernen Teilchendetektionssystemen eingefangen werden“, sagte Gerassimos ( Makis) Petratos, Professor an der Kent State University und Sprecher und Kontaktperson für das MARATHON-Experiment.

Die riesigen Teilchendetektorsysteme, die die aus diesen Kollisionen austretenden Elektronen sammeln, messen ihren Impuls – eine Größe, die die Masse und Geschwindigkeit der Elektronen umfasst.

Seit diesen ersten Experimenten vor fünf Jahrzehnten wurden in verschiedenen Laboratorien weltweit Experimente zur tiefeninelastischen Streuung durchgeführt. Diese Experimente haben das Verständnis der Kernphysiker für die Rolle von Quarks und Gluonen in den Strukturen von Protonen und Neutronen genährt. Heute verfeinern Experimente diesen Prozess weiter, um immer detailliertere Informationen herauszukitzeln.

Im kürzlich abgeschlossenen MARATHON-Experiment verglichen Kernphysiker erstmals die Ergebnisse tiefinelastischer Streuexperimente in zwei Spiegelkernen, um mehr über deren Strukturen zu erfahren. Die Physiker entschieden sich dafür, sich auf die Kerne von Helium-3 und Tritium, einem Wasserstoffisotop, zu konzentrieren. Während Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron hat, hat Tritium zwei Neutronen und ein Proton. Wenn Sie Helium-3 „spiegelverkehrt“ umwandeln könnten, indem Sie alle Protonen in Neutronen und Neutronen in Protonen umwandeln, wäre das Ergebnis Tritium. Deshalb werden sie als Spiegelkerne bezeichnet.

„Wir haben das einfachste Spiegelkernsystem verwendet, das es gibt, Tritium und Helium-3, und deshalb ist dieses System so interessant“, sagte David Meekins, ein Mitarbeiter des Jefferson Lab und Co-Sprecher des MARATHON-Experiments.

„Es stellt sich heraus, dass wir, wenn wir das Verhältnis der Querschnitte in diesen beiden Kernen messen, auf die Strukturfunktionen von Protonen relativ zu Neutronen zugreifen können. Diese beiden Größen können mit der Verteilung von Up- und Down-Quarks innerhalb der Kerne zusammenhängen.“ sagte Petratos.

Das MARATHON-Experiment, das erstmals 1999 in einem Sommerworkshop konzipiert wurde, wurde schließlich 2018 in der Continuous Electron Beam Accelerator Facility von Jefferson Lab, einer DOE-Benutzereinrichtung, durchgeführt. Die mehr als 130 Mitglieder der experimentellen MARATHON-Kollaboration überwanden viele Hürden, um das Experiment durchzuführen.

Beispielsweise benötigte MARATHON die hochenergetischen Elektronen, die durch das 2017 abgeschlossene 12-GeV-CEBAF-Upgrade-Projekt ermöglicht wurden, sowie ein spezialisiertes Targetsystem für Tritium.

„Für dieses einzelne Experiment war eindeutig das Ziel die größte Herausforderung. Da Tritium ein radioaktives Gas ist, mussten wir vor allem die Sicherheit gewährleisten“, erklärte Meekins. „Das ist Teil der Mission des Labors: Es gibt nichts so Wichtiges, dass wir die Sicherheit opfern können.“

Das Experiment schickte 10,59 GeV (Milliarden Elektronenvolt) Elektronen in vier verschiedene Targets in der Versuchshalle A. Die Targets umfassten Helium-3 und drei Isotope von Wasserstoff, einschließlich Tritium. Die austretenden Elektronen wurden gesammelt und mit dem linken und rechten hochauflösenden Spektrometer der Halle gemessen.

Nach Abschluss der Datenerfassung arbeitete die Zusammenarbeit daran, die Daten sorgfältig zu analysieren. Die endgültige Veröffentlichung enthielt die Originaldaten, damit andere Gruppen die modellfreien Daten in ihren eigenen Analysen verwenden konnten. Es bot auch eine von Petratos geleitete Analyse an, die auf einem theoretischen Modell mit minimalen Korrekturen basiert.

„Was wir klarstellen wollten, ist, dass dies die Messung ist, die wir gemacht haben, so haben wir es gemacht, das ist die wissenschaftliche Extraktion aus der Messung, und so haben wir das gemacht“, erklärt Meekins. „Wir müssen uns keine Gedanken darüber machen, ob wir ein Modell einem anderen vorziehen – jeder kann die Daten nehmen und anwenden.“

Neben einer genauen Bestimmung des Verhältnisses der Proton/Neutron-Strukturfunktionsverhältnisse beinhalten die Daten auch höhere Elektronenimpulsmessungen dieser Spiegelkerne als bisher verfügbar waren. Dieser hochwertige Datensatz öffnet auch die Tür für zusätzliche detaillierte Analysen zur Beantwortung anderer Fragen in der Kernphysik, z. B. warum Quarks im Kern anders verteilt sind als freie Protonen und Neutronen (ein Phänomen, das als EMV-Effekt bezeichnet wird) und andere Studien die Strukturen von Teilchen in Kernen.

Bei der Diskussion der Ergebnisse würdigten die MARATHON-Sprecher schnell die harte Arbeit der Kollaborationsmitglieder für die Endergebnisse.

„Der Erfolg dieses Experiments ist der herausragenden Gruppe von Menschen zu verdanken, die an dem Experiment teilgenommen haben, und auch der Unterstützung, die wir von Jefferson Lab hatten“, sagte Mina Katramatou, Professorin an der Kent State University und Co-Sprecherin des MARATHON-Experiments. „Wir hatten auch eine fantastische Gruppe junger Physiker, die an diesem Experiment arbeiteten, darunter Postdoktoranden und Doktoranden am Anfang ihrer Karriere.“

„Es gab fünf Doktoranden, die ihre Abschlussarbeit aus diesen Daten herausholten“, bestätigte Meekins. „Und es sind gute Daten, wir haben gute Arbeit geleistet, und es war schwer zu tun.“