CERN-Experiment stellt bisherige Gluonen-Theorie infrage

Eine neue Messung des ALICE-Experiments am CERN liefert den bisher präzisesten Einblick in das Verhalten von Gluonen innerhalb von Atomkernen. Die Ergebnisse fordern das langjährige theoretische Modell des nuklearen Shadowing heraus und liefern Belege für ein konkurrierendes Phänomen namens Gluonensättigung.

Untersuchung des Kerns in beispiellosem Maßstab

Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie berichtet über die erste mehrdimensionale Messung der inkohärenten J/ψ-photonuklearen Produktion als Funktion von Interaktionsenergie und Impulsübertrag. Die Forscher nutzten Daten aus dem Run 2 des Large Hadron Collider, bei dem sie ultra-periphere Begegnungen untersuchten, bei denen Blei-Atomkerne aneinander vorbeizogen, ohne direkt zu kollidieren. Die intensiven elektromagnetischen Felder um die schnell bewegten Kerne dienten als Quellen für hochenergetische Photonen, die kurzzeitig J/ψ-Teilchen erzeugen konnten, deren Entstehungsrate empfindlich auf die zugrunde liegende Gluonenstruktur reagiert.phys+1

Das Experiment untersuchte Gluonenfelder bei Auflösungen von 0,6, 0,3 und 0,2 Femtometern, wobei die feinste Auflösung Strukturen entspricht, die etwa ein Viertel der Größe eines Protons ausmachen. Der Kernphysiker Daniel Tapia Takaki von der University of Kansas, der eine führende Rolle bei der Forschung spielte, verglich die Technik mit dem Wechsel von einem unscharfen Bild zu einem hochauflösenden Mikroskop.bioengineer+1

Shadowing greift zu kurz

Auf den kleinsten untersuchten räumlichen Skalen wurde die Produktionsrate der J/ψ-Teilchen mit einer statistischen Signifikanz von etwa drei Standardabweichungen unterdrückt. Dieses Muster lässt sich nur schwer mit dem nuklearen Shadowing in Einklang bringen, einem Rahmenmodell, bei dem sich Gluonen verschiedener Nukleonen überlappen und teilweise verdecken, was die Wahrscheinlichkeit bestimmter Interaktionen verringert. Obwohl Shadowing frühere Messungen erfolgreich beschreiben konnte, reicht es zur Erklärung der neuen Daten nicht aus.phys+1

"Die Beobachtungen stehen stattdessen im Einklang mit einem anderen Phänomen, der Gluonensättigung, die von der Theorie der Quantenchromodynamik vorhergesagt wird", sagte Takaki. "In diesem Bereich werden Gluonen so dicht gepackt, dass sie stark miteinander interagieren, was die Anzahl der Gluonen begrenzt, die in einem bestimmten Bereich existieren können."phys

Warum das wichtig ist

Gluonen vermitteln die starke Kernkraft und machen durch die in der starken Wechselwirkung gespeicherte Energie fast die gesamte Masse der sichtbaren Materie im Universum aus. Takaki betonte, dass das Verständnis ihres Verhaltens "wesentlich ist, um zu verstehen, wie Materie selbst ihre Masse und Struktur erhält."bioengineer+1

Die Ergebnisse klären noch nicht jedes Detail der Gluonensättigung, und weitere Messungen werden erforderlich sein. Durch die Kombination energieabhängiger Messungen mit Informationen zum Impulsübertrag bei Photon-Kern-Energien zwischen 20 und 633 Milliarden Elektronenvolt hat die ALICE-Kollaboration jedoch die bisher stärkste experimentelle Grundlage geliefert, um zwischen den beiden konkurrierenden Modellen zu unterscheiden.phys+1