Seltsames vom Gewöhnlichen ablenken

In einer einzigartigen Analyse experimenteller Daten haben Kernphysiker erstmals beobachtet, wie Lambda-Teilchen, sogenannte „seltsame Materie“, durch einen spezifischen Prozess namens semi-inklusive tiefinelastische Streuung (SIDIS) erzeugt werden. Außerdem deuten diese Daten darauf hin, dass die Bausteine ​​der Protonen, Quarks und Gluonen, zumindest zeitweise in Paaren, sogenannten Diquarks, durch den Atomkern marschieren können. Diese Ergebnisse stammen aus einem Experiment, das an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums durchgeführt wurde.

Es ist ein Ergebnis, an dem über Jahrzehnte gearbeitet wurde. Der Datensatz wurde ursprünglich im Jahr 2004 gesammelt. Lamiaa El Fassi, jetzt außerordentliche Professorin für Physik an der Mississippi State University und Hauptforscherin der Arbeit, analysierte diese Daten erstmals während ihres Diplomarbeitsprojekts, um ihren Abschluss zu einem anderen Thema zu machen.

Fast ein Jahrzehnt nach Abschluss ihrer ersten Forschung mit diesen Daten überprüfte El Fassi den Datensatz erneut und führte ihre Gruppe durch eine sorgfältige Analyse, um diese beispiellosen Messungen zu erhalten. Der Datensatz stammt aus Experimenten in der Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) von Jefferson Lab, einer DOE-Benutzereinrichtung. In dem Experiment verfolgten Kernphysiker, was passiert, wenn Elektronen von CEBAF am Zielkern streuen und die eingeschlossenen Quarks in Protonen und Neutronen untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Diese Studien tragen dazu bei, eine Geschichte analog zu einem Film darüber zu erzählen, wie sich das getroffene Quark in Hadronen verwandelt. “, sagte El Fassi.

Rein wie ein Lambda, raus wie ein Pion

Wie die bekannteren Protonen und Neutronen besteht jedes Lambda aus drei Quarks.

Im Gegensatz zu Protonen und Neutronen, die nur eine Mischung aus Up- und Down-Quarks enthalten, enthalten Lambdas ein Up-Quark, ein Down-Quark und ein Strange-Quark. Physiker haben Materie, die seltsame Quarks enthält, als „fremde Materie“ bezeichnet.

In dieser Arbeit untersuchten El Fassi und ihre Kollegen, wie sich diese Teilchen seltsamer Materie aus Kollisionen gewöhnlicher Materie bilden. Dazu schossen sie den Elektronenstrahl von CEBAF auf verschiedene Ziele, darunter Kohlenstoff, Eisen und Blei. Wenn ein hochenergetisches Elektron von CEBAF eines dieser Targets erreicht, zerbricht es ein Proton oder Neutron in einem der Kerne des Targets.

„Da das Proton oder Neutron vollständig auseinandergebrochen ist, gibt es wenig Zweifel daran, dass das Elektron mit dem Quark im Inneren interagiert“, sagte El Fassi.

Nachdem das Elektron mit einem Quark oder Quarks über ein ausgetauschtes virtuelles Photon interagiert hat, beginnt sich das „getroffene“ Quark als freies Teilchen im Medium zu bewegen und verbindet sich typischerweise mit anderen Quarks, denen es begegnet, um ein neues zusammengesetztes Teilchen zu bilden während sie sich durch den Zellkern ausbreiten. Und manchmal wird dieses zusammengesetzte Teilchen ein Lambda sein.

Aber das Lambda ist kurzlebig – nach der Bildung zerfällt es schnell in zwei andere Teilchen: ein Pion und entweder ein Proton oder ein Neutron. Um die verschiedenen Eigenschaften dieser kurzzeitig erzeugten Lambda-Teilchen zu messen, müssen die Physiker ihre beiden Tochterteilchen sowie das vom Zielkern gestreute Strahlelektron nachweisen.

Das Experiment EG2, das diese Daten sammelte, verwendete den CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS)-Detektor in der Versuchshalle B des Jefferson Lab. Diese kürzlich veröffentlichten Ergebnisse, „First Measurement of Λ Electroproduction off Nuclei in the Current and Target Fragmentation Regions“, sind Teil der CLAS-Kollaboration, an der fast 200 Physiker weltweit beteiligt sind.

SIDIS

Diese Arbeit ist die erste, die das Lambda mit diesem Prozess, der als semi-inklusive tiefinelastische Streuung bekannt ist, in den Vorwärts- und Rückwärtsfragmentierungsregionen misst. Schwieriger ist es, mit dieser Methode Lambda-Teilchen zu untersuchen, weil das Teilchen so schnell zerfällt, dass es nicht direkt gemessen werden kann.

„Diese Messklasse wurde bisher nur an Protonen und an leichteren, stabileren Teilchen durchgeführt“, sagte Co-Autor William Brooks, Professor für Physik an der Technischen Universität Federico Santa María und Co-Sprecher des EG2-Experiments.

Die Analyse war so herausfordernd, dass El Fassi und ihre Gruppe mehrere Jahre brauchten, um die Daten erneut zu analysieren und diese Ergebnisse zu extrahieren. Es war ihr Doktorvater Kawtar Hafidi, der sie ermutigte, die Untersuchung des Lambda aus diesen Datensätzen fortzusetzen.

„Ich möchte Lamiaas harte Arbeit und Beharrlichkeit loben, die sie jahrelang ihrer Karriere gewidmet hat“, sagte Hafidi, stellvertretende Laborleiterin für Physik und Technik am Argonne National Lab und Co-Sprecherin des EG2-Experiments. „Ohne sie hätte diese Arbeit keine Früchte getragen.“

„Es war nicht einfach“, sagte El Fassi. „Es ist ein langer und zeitaufwändiger Prozess, aber die Mühe hat sich gelohnt. Wenn man so viele Jahre an etwas arbeitet, fühlt es sich gut an, es veröffentlicht zu sehen.“

El Fassi begann mit dieser Lambda-Analyse, als sie selbst Postdoc war, einige Jahre bevor sie Assistenzprofessorin an der Mississippi State University wurde. Unterwegs haben mehrere ihrer eigenen Postdocs an der Mississippi State dabei geholfen, diese Ergebnisse zu extrahieren, darunter Co-Autorin Taya Chetry.

„Ich bin sehr glücklich und motiviert, dass diese Arbeit veröffentlicht wird“, sagte Chetry, der jetzt Postdoktorand an der Florida International University ist.

Zwei für eins

Ein bemerkenswertes Ergebnis dieser intensiven Analyse verändert die Art und Weise, wie Physiker verstehen, wie sich Lambdas nach Teilchenkollisionen bilden.

In ähnlichen Studien, die semi-inklusive tiefinelastische Streuung zur Untersuchung anderer Teilchen verwendet haben, bilden sich die interessierenden Teilchen normalerweise, nachdem ein einzelnes Quark von dem virtuellen Photon „getroffen“ wurde, das zwischen dem Elektronenstrahl und dem Zielkern ausgetauscht wurde. Aber das Signal, das Lambda im CLAS-Detektor hinterlassen hat, deutet auf einen verpackteren Deal hin.

Die Analyse der Autoren zeigte, dass bei der Bildung eines Lambda das virtuelle Photon wurde zeitweise von einem Paar Quarks, dem sogenannten Diquark, anstatt nur von einem, absorbiert. Nachdem dieses Diquark „getroffen“ wurde, fand es ein seltsames Quark und bildete ein Lambda.

„Diese Quark-Paarung deutet auf einen anderen Produktions- und Wechselwirkungsmechanismus hin als der Fall der Einzelquark-Wechselwirkung“, sagte Hafidi.

Ein besseres Verständnis dafür, wie sich verschiedene Teilchen bilden, hilft Physikern bei ihren Bemühungen, die starke Wechselwirkung zu entschlüsseln, die fundamentale Kraft, die diese quarkhaltigen Teilchen zusammenhält. Die Dynamik dieser Wechselwirkung ist sehr kompliziert, ebenso wie die Theorie, die zu ihrer Beschreibung verwendet wird: Quantenchromodynamik (QCD).

Durch den Vergleich von Messungen mit Modellen der QCD-Vorhersagen können Physiker diese Theorie testen. Da sich der Diquark-Befund von den aktuellen Vorhersagen des Modells unterscheidet, deutet dies darauf hin, dass etwas am Modell nicht stimmt.

„Es gibt eine unbekannte Zutat, die wir nicht verstehen. Das ist äußerst überraschend, da die bestehende Theorie im Wesentlichen alle anderen Beobachtungen beschreiben kann, aber nicht diese“, sagte Brooks. „Das heißt, es gibt etwas Neues zu lernen, und im Moment haben wir keine Ahnung, was es sein könnte.“

Um das herauszufinden, brauchen sie noch mehr Messungen.

Daten für EG2 wurden mit 5,014 GeV (Milliarden Elektronenvolt) Elektronenstrahlen in der 6-GeV-Ära der CEBAF gesammelt. Zukünftige Experimente werden Elektronenstrahlen des aktualisierten CEBAF verwenden, die jetzt bis zu 11 GeV für die Experimentalhalle B reichen, sowie einen aktualisierten CLAS-Detektor namens CLAS12, um die Bildung einer Vielzahl von Teilchen, einschließlich Lambdas, mit höheren zu untersuchen -Energie Elektronen.

Der kommende Electron-Ion Collider (EIC) am Brookhaven National Laboratory des DOE wird auch eine neue Gelegenheit bieten, diese seltsame Materie- und Quark-Paarungsstruktur des Nukleons mit größerer Präzision weiter zu untersuchen.

„Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für kommende Studien am kommenden CLAS12 und die geplanten EIC-Experimente, wo man die Diquark-Streuung genauer untersuchen kann“, sagte Chetry.

El Fassi ist auch Co-Sprecher für CLAS12-Messungen der Quarkausbreitung und Hadronenbildung. Wenn die Daten aus den neuen Experimenten endlich fertig sind, werden die Physiker sie mit QCD-Vorhersagen vergleichen, um diese Theorie weiter zu verfeinern.

„Jede neue Messung, die neue Informationen zum Verständnis der Dynamik starker Wechselwirkungen liefert, ist sehr wichtig“, sagte sie.