CERN-eksperiment utfordrer fysikernes forståelse av gluoner

En ny måling fra CERNs ALICE-eksperiment har gitt det hittil skarpeste bildet av hvordan gluoner oppfører seg inne i atomkjerner. Funnene utfordrer det etablerte teoretiske rammeverket kjent som nukleær skyggelegging og gir støtte til et konkurrerende fenomen kalt gluonmetning.

Undersøker kjernen i enestående skala

Studien, publisert i Physical Review Letters, rapporterer den første flerdimensjonale målingen av usammenhengende J/ψ-fotonukleær produksjon som en funksjon av både interaksjonsenergi og momentoverføring. Forskerne brukte data samlet inn under Run 2 ved Large Hadron Collider, der de studerte ultra-perifere sammenstøt hvor blykjerner passerte nær hverandre uten å kollidere direkte. De intense elektromagnetiske feltene rundt kjernene fungerte som kilder til høyenergifotoner, som kortvarig kunne produsere J/ψ-partikler. Produksjonsraten for disse er sensitiv for den underliggende gluonstrukturen.phys+1

Eksperimentet undersøkte gluonfelt ved oppløsninger på 0,6, 0,3 og 0,2 femtometer, der den fineste tilsvarer strukturer på omtrent en fjerdedel av størrelsen til et proton. Kjernefysiker Daniel Tapia Takaki ved University of Kansas, som spilte en ledende rolle i forskningen, sammenlignet teknikken med å bytte fra et uklart bilde til et høyoppløselig mikroskop.bioengineer+1

Skyggelegging kommer til kort

Ved de minste romlige skalaene som ble utforsket, ble produksjonsraten av J/ψ-partikler undertrykt med en statistisk signifikans på omtrent tre standardavvik. Dette mønsteret er vanskelig å forene med nukleær skyggelegging, et rammeverk der gluoner fra ulike nukleoner overlapper og delvis skjuler hverandre, noe som reduserer sannsynligheten for visse interaksjoner. Selv om skyggelegging har beskrevet tidligere målinger godt, kan den ikke fullt ut forklare de nye dataene.phys+1

"Observasjonene er i stedet konsistente med et annet fenomen kjent som gluonmetning, forutsagt av teorien om kvantekromodynamikk," sa Takaki. "I dette regimet blir gluoner så tettpakket at de begynner å samhandle sterkt med hverandre, noe som begrenser hvor mange som kan eksistere i et gitt område."phys

Hvorfor det betyr noe

Gluoner bærer den sterke kjernekraften og står for nesten all massen til synlig materie i universet gjennom energien som er lagret i den sterke vekselvirkningen. Takaki bemerket at det å forstå deres oppførsel er "essensielt for å forstå hvordan materie selv får sin masse og struktur."bioengineer+1

Funnene fastslår ennå ikke alle detaljer ved gluonmetning, og ytterligere målinger vil være nødvendige. Ved å kombinere energiavhengige målinger med informasjon om momentoverføring på tvers av foton-kjerne-energier fra 20 til 633 milliarder elektronvolt, har ALICE-samarbeidet likevel levert det sterkeste eksperimentelle grunnlaget hittil for å skille mellom de to konkurrerende modellene.phys+1