CERN-experiment utmanar fysikers syn på gluoners beteende

En ny mätning från CERNs ALICE-experiment har gett den hittills skarpaste bilden av hur gluoner beter sig inuti atomkärnor. Resultaten utmanar det etablerade teoretiska ramverket känt som nukleär skuggning och ger stöd åt ett konkurrerande fenomen kallat gluonmättnad.

Undersöker kärnan i oöverträffad skala

Studien, som publicerats i Physical Review Letters, rapporterar den första flerdimensionella mätningen av osammanhängande J/ψ-fotonukleär produktion som en funktion av både interaktionsenergi och rörelsemängdsöverföring. Forskarna använde data insamlad under Run 2 vid Large Hadron Collider, där de studerade ultra-perifera möten där blykärnor passerade nära varandra utan att kollidera direkt. De intensiva elektromagnetiska fälten kring kärnorna fungerade som källor till högenergifotoner, vilka kortvarigt kunde skapa J/ψ-partiklar vars produktionstakt är känslig för den underliggande gluonstrukturen.phys+1

Experimentet undersökte gluonfält vid upplösningar på 0,6, 0,3 och 0,2 femtometer, där den finaste motsvarar strukturer på ungefär en fjärdedel av storleken hos en proton. Kärnfysikern Daniel Tapia Takaki vid University of Kansas, som spelade en ledande roll i forskningen, liknade tekniken vid att byta från en suddig bild till ett högupplöst mikroskop.bioengineer+1

Skuggning räcker inte till

Vid de minsta rumsliga skalor som utforskades undertrycktes produktionstakten av J/ψ-partiklar med en statistisk signifikans på cirka tre standardavvikelser. Detta mönster är svårt att förena med nukleär skuggning, ett ramverk där gluoner från olika nukleoner överlappar och delvis skymmer varandra, vilket minskar sannolikheten för vissa interaktioner. Även om skuggning har beskrivit tidigare mätningar väl, kan den inte fullt ut förklara de nya data.phys+1

"Observationerna är istället förenliga med ett annat fenomen känt som gluonmättnad, förutsagt av teorin om kvantkromodynamik," sade Takaki. "I detta regim blir gluoner så tätt packade att de börjar interagera starkt med varandra, vilket begränsar hur många som kan existera i ett givet område."phys

Varför det är viktigt

Gluoner bär den starka kärnkraften och står för nästan all massa hos synlig materia i universum genom energin som lagras i den starka växelverkan. Takaki noterade att förståelsen för deras beteende är "avgörande för att förstå hur materia i sig får sin massa och struktur."bioengineer+1

Resultaten fastställer ännu inte alla detaljer kring gluonmättnad, och ytterligare mätningar kommer att behövas. Genom att kombinera energiberoende mätningar med information om rörelsemängdsöverföring över foton-kärna-energier från 20 till 633 miljarder elektronvolt, har ALICE-samarbetet ändå levererat den starkaste experimentella grunden hittills för att skilja mellan de två konkurrerande modellerna.phys+1