Gluoner, de limliknande partiklarna som vanligtvis binder subatomära kvarkar inom protonerna och neutronerna som utgör atomkärnor, tycks spela en viktig roll för att fastställa viktiga egenskaper hos materia. Men just nu, ingen kan se hur gluoner är fördelade inom enskilda protoner och kärnor. Nyligen genomförda experiment vid Brookhaven National Lab och European Centre for Nuclear Research (CERN) tyder på att arrangemanget av dessa partiklar i en proton fluktuerar kraftigt. Detta innebär att medan, i genomsnitt, en proton är nära sfärisk, om vi skulle ta ögonblicksbilder av en proton i tid, var och en av dem skulle se dramatiskt olika ut. Brookhavens kärnkraftsteoretiker har utvecklat en modell av gluonfluktuationer som överensstämmer med tidigare mätningar. Modellen låter dem tolka de nya data från kärnvapenkollisionsexperiment som ögonblicksbilder av hur en proton verkligen ser ut vid en given tidpunkt.

Kärnfysiker vill studera egenskaperna hos kärnämnet i kärnan och hur det förändras av högenergikollisioner. För att göra detta mäter de mönstren av partiklar som flyger ut från kollisioner av protoner med tunga kärnor i partikelkolliderar. Dessa kolliderare inkluderar Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory och Large Hadron Collider (LHC) vid Europas CERN-laboratorium. För att förstå mer om kärnämnet behöver de veta hur protonen såg ut när kollisionen inträffade. I experiment vid dessa anläggningar, där partiklar accelereras till höga energier, gluonerna är virtuella partiklar som kontinuerligt delar sig och rekombinerar, i huvudsak flimrar in och ut ur tillvaron som ljuset från eldflugor som blinkar på och av på natthimlen. Eftersom forskare inte kan se detta flimmer direkt, de behöver en modell som korrekt beskriver det fluktuerande beteendet. Genom att förstå flimrandet låter fysiker tolka resultaten från dessa experiment för att bättre förstå protonernas inre struktur och bättre förklara vår värld.

Experimentella resultat från RHIC och LHC tyder på att protoner är mycket mer komplexa än ett enkelt arrangemang av tre kvarkar som hålls samman av gluoner. Att förstå hur protoner interagerar när de kolliderar med större kärnor kräver att man känner till protonens geometri precis före kollisionen – oavsett om den är rund eller mer oregelbunden, till exempel. Att utforska protonens inre struktur är också en grundläggande forskningssträvan för kärnfysiker.

Medan forskare vet hur stor den genomsnittliga gluondensiteten är inuti en proton, de vet inte exakt var gluonerna finns inuti den större partikeln eller hur stora fluktuationerna i form och gluonfördelning kan vara. Utan förmågan att se inuti protonen, forskarna utvecklade en matematisk modell för att representera en mängd olika arrangemang av gluoner. Forskarna testade sedan modellen genom att jämföra dess förutsägelser med experimentella data från en accelerator i Tyskland. De fann att inkludering av en hög grad av gluonfluktuationer i deras modell passade data bäst. Forskarna letar nu efter att tillämpa denna kunskap på proton-kärnkollisioner vid RHIC och LHC. Om denna modell framgångsrikt kan beskriva dessa experiment, forskare kommer att kunna använda några viktiga observerbara uppgifter från experimenten som mått på protonformen vid tidpunkten för kollisionen.