CERNin koe haastaa fyysikoiden käsityksen gluonien käyttäytymisestä

CERNin ALICE-kokeen uusi mittaus on tarjonnut tähän asti tarkimman näkymän gluonien käyttäytymiseen atomiytimien sisällä. Tulokset haastavat pitkään vallinneen ydinvarjostuksen teorian ja tarjoavat näyttöä kilpailevan gluonien saturaatioilmiön puolesta.

Ytimen tutkiminen ennennäkemättömässä mittakaavassa

Physical Review Letters -lehdessä julkaistu tutkimus raportoi ensimmäisestä moniulotteisesta mittauksesta, joka koskee epäkoherenttia J/ψ-fotonituma-tuotantoa suhteessa vuorovaikutusenergiaan ja liikemäärän siirtoon. Tutkijat hyödynsivät Suuren hadronitörmäyttimen (LHC) toisen ajon aikana kerättyä dataa, jossa lyijy-ytimet ohittivat toisensa läheltä ilman suoraa törmäystä. Nopeasti liikkuvia ytimiä ympäröivät voimakkaat sähkömagneettiset kentät toimivat korkeaenergisten fotonien lähteinä, jotka pystyivät tuottamaan hetkellisesti J/ψ-hiukkasia, joiden syntynopeus on herkkä gluonien rakenteelle.phys+1

Kokeessa tutkittiin gluonikenttiä 0,6, 0,3 ja 0,2 femtometrin resoluutiolla, joista pienin vastaa noin neljäsosaa protonin koosta. Kansasin yliopiston ydinfyysikko Daniel Tapia Takaki, joka oli tutkimuksen keskeinen tekijä, vertasi tekniikkaa siirtymiseen epätarkasta kuvasta korkean resoluution mikroskooppiin.bioengineer+1

Varjostusteorian rajat

Tutkituissa pienimmissä mittakaavoissa J/ψ-hiukkasten tuotantonopeus vaimeni noin kolmen keskihajonnan tilastollisella merkitsevyydellä. Tätä ilmiötä on vaikea sovittaa ydinvarjostuksen teoriaan, jossa eri nukleonien gluonit menevät päällekkäin ja peittävät toisiaan, mikä vähentää tiettyjen vuorovaikutusten todennäköisyyttä. Vaikka varjostusteoria on selittänyt aiemmat mittaukset onnistuneesti, se ei pysty täysin selittämään uutta dataa.phys+1

"Havainnot ovat sen sijaan yhdenmukaisia kvanttikromodynamiikan ennustaman gluonien saturaatioilmiön kanssa", Takaki totesi. "Tässä tilassa gluonit pakkautuvat niin tiheästi, että ne alkavat vuorovaikuttaa voimakkaasti keskenään, mikä rajoittaa sitä, kuinka monta gluonia tietyllä alueella voi olla."phys

Miksi tällä on merkitystä?

Gluonit välittävät vahvaa vuorovaikutusta ja muodostavat lähes kaiken maailmankaikkeuden näkyvän aineen massan vahvaan vuorovaikutukseen varastoituneen energian kautta. Takaki huomautti, että gluonien käyttäytymisen ymmärtäminen on "välttämätöntä sen ymmärtämiseksi, miten aine itse saa massansa ja rakenteensa".bioengineer+1

Tulokset eivät vielä vahvista gluonien saturaation kaikkia yksityiskohtia, ja lisämittauksia tarvitaan. Yhdistämällä energiariippuvaisia mittauksia ja liikemäärän siirtoa koskevaa tietoa 20–633 miljardin elektronivoltin fotoni-ydin-energioilla, ALICE-yhteistyö on kuitenkin tarjonnut tähän asti vahvimman kokeellisen pohjan kahden kilpailevan mallin erottamiseksi toisistaan.phys+1