Physiker „beleuchten“ innere Details und das Aufbrechen einfacher Kerne

Wissenschaftler haben einen neuen Weg gefunden, in die einfachsten Atomkerne zu „sehen“, um den „Kleber“ besser zu verstehen, der die Bausteine ​​der Materie zusammenhält. Die Ergebnisse, gerade veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungentstehen durch Kollisionen von Photonen (Lichtteilchen) mit Deuteronen, den einfachsten Atomkernen (bestehend aus nur einem Proton, das an ein Neutron gebunden ist).

Die Kollisionen fanden am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) statt, einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) für kernphysikalische Forschung am Brookhaven National Laboratory des DOE. Wissenschaftler aus der ganzen Welt analysieren Daten von RHICs subatomaren Smashups, um Einblicke in die Teilchen und Kräfte zu gewinnen, die die sichtbare Materie unserer Welt aufbauen.

Bei diesen speziellen Kollisionen wirkten die Photonen wie ein Röntgenstrahl, um einen ersten Eindruck davon zu vermitteln, wie Teilchen, sogenannte Gluonen, im Deuteron angeordnet sind.

„Das Gluon ist sehr mysteriös“, sagte der Physiker Zhoudunming Tu vom Brookhaven Lab, der dieses Projekt für die STAR Collaboration von RHIC leitete. Gluonen als „Träger“ der starken Kraft* sind der Klebstoff, der Quarks, die inneren Bausteine ​​von Protonen und Neutronen, bindet. Außerdem halten sie Protonen und Neutronen zu Atomkernen zusammen. „Wir wollen die Gluonverteilung untersuchen, weil sie einer der Schlüssel ist, der die Quarks zusammenhält. Diese Messung der Gluonverteilung in einem Deuteron wurde noch nie zuvor durchgeführt.“

Da die Photon-Deuteron-Kollisionen die Deuteronen manchmal auseinander brechen, können die Kollisionen den Wissenschaftlern helfen, diesen Prozess zu verstehen.

„Die Messung des Zerfalls des Deuterons sagt uns viel über die grundlegenden Mechanismen aus, die diese Teilchen im Allgemeinen in Kernen zusammenhalten“, sagte Tu.

Das Verständnis von Gluonen und ihrer Rolle in Kernmaterie wird ein zentraler Schwerpunkt der Forschung am Electron-Ion Collider (EIC), einer zukünftigen nuklearphysikalischen Forschungseinrichtung, die sich im Brookhaven Lab in Planung befindet. Am EIC werden Physiker von Elektronen erzeugte Photonen verwenden, um die Verteilung von Gluonen innerhalb von Protonen und Kernen sowie die Kraft zu untersuchen, die Kerne zusammenhält. Aber Tu, der Pläne für die Forschung am EIC entwickelt hat, erkannte, dass er möglicherweise einige Hinweise erhalten könnte, wenn er sich vorhandene Daten aus den Experimenten von RHIC mit Deuteronen aus dem Jahr 2016 ansähe.

„Die Motivation, das Deuteron zu studieren, liegt darin, dass es einfach ist, aber dennoch alles hat, was ein komplexer Kern hat“, erklärte Tu. „Wir wollen den einfachsten Fall eines Kerns untersuchen, um diese Dynamik zu verstehen – einschließlich der Frage, wie sie sich verändert, wenn man von einem einfachen Proton zu den komplexeren Kernen übergeht, die wir am EIC untersuchen werden.“

Also begann er, die von STAR gesammelten Daten von Hunderten Millionen Kollisionen im Jahr 2016 zu sichten.

„Die Daten waren da. Niemand hatte sich mit der Gluonenverteilung des Deuterons befasst, bis ich 2018 als Goldhaber-Stipendiat damit anfing. Ich war gerade zu Brookhaven gekommen und fand diese Verbindung zum EIC.“

Das Licht erstrahlen lassen

RHIC kann eine Vielzahl von Ionen beschleunigen – Atomkerne, denen ihre Elektronen entzogen wurden. Es kann sogar Strahlen von zwei verschiedenen Arten von Partikeln senden, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen durch die Zwillingsringe seiner 2,4 Meilen langen kreisförmigen Rennstrecke rasen. Aber es kann Photonen nicht direkt beschleunigen.

Aber dank der Physik, die hier kürzlich behandelt wurde, emittieren sich schnell bewegende Teilchen mit viel positiver Ladung ihr eigenes Licht. Als RHIC 2016 Deuteronen mit hochgeladenen Goldionen kollidierte, waren diese schnellen Goldionen von Wolken aus Photonen umgeben. Durch die Identifizierung von „ultraperipheren Kollisionen“ – bei denen das Deuteron nur an der Photonenwolke eines Goldions vorbeischaut – erkannte Tu, dass er Photonen untersuchen konnte, die mit Deuteronen interagieren, um einen Blick ins Innere zu bekommen.

Das verräterische Zeichen dieser Wechselwirkungen ist die Produktion eines Teilchens namens J/psi, das durch die Wechselwirkung des Photons mit Gluonen im Deuteron ausgelöst wird.

„Ich habe 350 J/psi gefunden. Es gibt nur 350 Ereignisse aus den Hunderten von Millionen von Kollisionen, die vom STAR-Experiment aufgezeichnet wurden. Es ist tatsächlich ein sehr seltenes Ereignis“, sagte Tu.

Obwohl das J/psi schnell zerfällt, kann der STAR-Detektor die Zerfallsprodukte verfolgen, um zu messen, wie viel Impuls von der Wechselwirkung übertragen wurde. Die Messung der Verteilung des Impulstransfers über alle Kollisionen hinweg ermöglicht es den Wissenschaftlern, auf die Gluonenverteilung zu schließen.

„Es gibt eine Eins-zu-Eins-Verbindung zwischen der Impulsübertragung (dem ‚Kick‘, der dem J/psi gegeben wird) und dem Ort, an dem sich das Gluon im Deuteron befindet“, erklärte Tu. „Im Durchschnitt geben Gluonen im Kern des Deuterons einen sehr großen Impulsstoß. Gluonen an der Peripherie geben einen kleineren Impuls. Wenn man sich also die Gesamtimpulsverteilung ansieht, kann man die Gluonverteilung im Deuteron abbilden.“

„Die Ergebnisse unserer Studie haben eine Lücke in unserem Verständnis der Gluonendynamik zwischen einem freien Proton und einem schweren Kern geschlossen“, sagte Shuai Yang, ein STAR-Mitarbeiter von der South China Normal University. Yang war ein führender Physiker bei der Verwendung von Licht, das von sich schnell bewegenden Ionen emittiert wird, um die Eigenschaften von Kernmaterie bei ultraperipheren Kern-Kern-Kollisionen am RHIC und am europäischen Large Hadron Collider (LHC) zu untersuchen. „Diese Arbeit baut eine Brücke zwischen Teilchenphysik und Kernphysik“, sagte er.

Ein weiterer führender Mitarbeiter, William Schmidke vom Brookhaven Lab, sagte: „Tatsächlich untersuchen wir diesen Prozess seit vielen Jahren. Aber dies ist das erste Ergebnis, das uns die Gluonendynamik für beide einzelnen Nukleonen (der Sammelbegriff für Protonen und Neutronen) sagt. und der Kern im selben System.“

Deuteronzerfall studieren

Zusätzlich zur Erzeugung eines J/psi-Teilchens gibt jede Photon-Gluon-Wechselwirkung auch einen Impulsstoß, der das Deuteron ablenkt – oder diesen einfachen Kern in ein Proton und ein Neutron zerlegt. Die Untersuchung des Auflösungsprozesses gibt Einblick in die von Gluonen erzeugte Kraft, die Kerne zusammenhält.

Bei einem Bruch krümmt sich das positiv geladene Proton im Magnetfeld des RHIC-Beschleunigers weg. Aber das neutrale Neutron bewegt sich immer geradeaus. Um diese „Zuschauer-Neutronen“ einzufangen, hat STAR einen Detektor, der 18 Meter von seiner Mitte entfernt direkt entlang der Strahllinie an einem Ende positioniert ist.

„Dieser Prozess ist sehr einfach“, bemerkte Tu. „Nur ein J/psi wird im Zentrum von STAR produziert. Die einzigen anderen Teilchen, die erzeugt werden können, stammen von diesem Deuteron-Aufbruch. Jedes Mal, wenn Sie also ein Neutron erhalten, wissen Sie, dass dies vom Deuteron-Aufbruch kommt. Der STAR-Detektor kann diesen Vorgang bei hoher Energie eindeutig messen.“

Die Messung, wie der Zerfallsprozess mit einem J/psi-Partikel assoziiert ist, das durch Gluon-Wechselwirkung erzeugt wird, kann Wissenschaftlern helfen, die Rolle von Gluonen bei der Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen zu verstehen. Dieses Wissen könnte sich von dem unterscheiden, was Wissenschaftler über diese Wechselwirkungen bei niedriger Energie verstehen.

„Bei hoher Energie ‚sieht‘ das Photon fast nichts als Gluonen im Deuteron“, sagte Tu. „Nachdem die Gluonen das J/psi-Teilchen ‚getreten‘ haben, hängt die Art und Weise, wie dieser ‚Kick‘ zu einem Aufbrechen führt, sehr wahrscheinlich mit der Gluondynamik zwischen Proton und Neutron zusammen. Der Vorteil dieser Messung ist, dass wir die Gluon- dominierten Kanal und die nukleare Auflösung gleichzeitig.“

Darüber hinaus stellt Tu fest, dass die Messung von Neutronen, die durch Kernzerlegung erzeugt werden – allgemein als „Zuschauer-Tagging“ bekannt – eine breite und nützliche Technik ist und definitiv beim zukünftigen EIC verwendet wird.

Aber beim EIC „wird die Instrumentierung viel besser sein und mehr Abdeckung haben“, erklärte er. „Wir werden in der Lage sein, die Genauigkeit der räumlichen Verteilungsmessungen von Gluonen von leichten Kernen zu schweren Kernen weiter zu verbessern. Und EIC-Detektorsysteme werden fast alles über den Kernzerfall erfassen, sodass wir noch detaillierter untersuchen können, wie Nukleonen miteinander interagieren .“

Weitere wichtige Mitwirkende, die an der Durchführung der komplizierten Datenanalysen für diese Studie mitgearbeitet haben, sind die Brookhaven Lab-Physiker Jaroslav Adam, Zilong Chang und Thomas Ullrich.

*Die starke Kraft ist die stärkste der vier Grundkräfte in der Natur (starke, schwache, elektromagnetische und Gravitationskraft). Und im Gegensatz zu allen anderen Kräften wird die Wechselwirkungsstärke mit zunehmender Entfernung größer. Die Bindungskraft zwischen zwei Quarks in einer Entfernung von mehr als 10-15 Metern (mehr als ein Millionstel eines Milliardstel Meters) beträgt mehr als 10 Tonnen.