Nya fynd från University of Kansas experimentella kärnfysiker Daniel Tapia Takaki och Aleksandr (Sasha) Bylinkin publicerades just i European Physical Journal C . Tidningen handlar om arbetet med Compact Muon Solenoid, ett experiment vid Large Hadron Collider, för att bättre förstå gluonernas beteende.

Gluoner är elementarpartiklar som är ansvariga för att "limma ihop" kvarkar och antikvarkar för att bilda protoner och neutroner - så, gluoner spelar en roll i cirka 98 % av all synlig materia i universum.

Tidigare experiment med den nu avvecklade HERA-elektron-protonkollideraren som hittades när protoner accelereras nära ljushastighet, tätheten av gluoner inuti dem ökar mycket snabbt.

"I dessa fall, gluoner delas upp i par av gluoner med lägre energier, och sådana gluoner splittras sedan, och så vidare, "sa Tapia Takaki, KU docent i fysik &astronomi. "Vid något tillfälle, splittringen av gluoner inuti protonen når en gräns vid vilken multiplikationen av gluoner upphör att öka. Ett sådant tillstånd är känt som "färgglaskondensatet, ' en hypotesfas av materia som tros existera i mycket högenergiprotoner och såväl som i tunga kärnor."

KU-forskaren sa att hans teams nyare experimentella resultat vid Relativistic Heavy Ion Collider och LHC verkade bekräfta förekomsten av ett sådant gluondominerat tillstånd. De exakta förhållandena och den exakta energi som behövs för att observera "gluonmättnad" i protonen eller i tunga kärnor är ännu inte kända, han sa.

"CMS -experimentresultaten är mycket spännande, ge ny information om gluondynamiken i protonen, "sa Victor Goncalves, professor i fysik vid Federal University of Pelotas i Brasilien, som arbetade på KU under ett Brasilien-U.S. Professorskap ges gemensamt av Sociedade Brasileira de Física och American Physical Society. "Data berättar för oss vilken energi och dipolstorlekar som behövs för att komma djupare in i den gluondominerade regimen där olinjära QCD-effekter blir dominerande."

Även om experiment vid LHC inte direkt studerar protonens interaktion med elementära partiklar, såsom de av den sena HERA -kollideraren, det är möjligt att använda en alternativ metod för att studera gluonmättnad. När accelererade protoner (eller joner) missar varandra, fotoninteraktioner sker med protonen (eller jonen). Dessa nära missar kallas ultra-perifera kollisioner (UPC) eftersom fotoninteraktionerna oftast sker när de kolliderande partiklarna är väsentligt separerade från varandra.

"Tanken att den elektriska laddningen av protonen eller jonerna, när den accelereras med ultrarelativistiska hastigheter, kommer att tillhandahålla en källa till nästan verkliga fotoner är inte nytt, Tapia Takaki sa. "Det diskuterades först av Enrico Fermi i slutet av 1920-talet. Men det är först sedan 2000-talet vid RHIC-kollideren och mer nyligen vid LHC-experimenten som denna metod har utnyttjats fullt ut."

Tapia Takakis grupp har spelat en viktig roll i studien av ultraperifera kollisioner av joner och protoner vid två instrument vid Large Hadron Collider, först på ALICE Collaboration och på senare tid med CMS-detektorn.

"Vi har nu en uppsjö av intressanta resultat på ultraperifera kollisioner med tunga joner vid CERN:s Large Hadron Collider, "sa Bylinkin, en biträdande forskare i gruppen. "De flesta av resultaten har fokuserats på integrerade tvärsnitt av vektormesoner och på senare tid på mätningar med hjälp av jetstrålar och studier av ljus-för-ljusspridning. För studiet av vektormesonproduktion, vi gör nu systematiska mätningar, inte bara utforskande. Vi är särskilt intresserade av energiberoendestudien av momentumöverföringen i vektormesonproduktion eftersom vi här har den unika möjligheten att fastställa början av gluonmättnad."

Forskarna sa att arbetet är betydelsefullt eftersom det är den första etableringen av fyra uppmätta punkter när det gäller energin för foton-protoninteraktionen och som en funktion av momentumöverföringen.

"Tidigare experiment på HERA hade bara en enda energipunkt, ", sa Tapia Takaki. "För vårt senaste resultat, den lägsta punkten i energi är cirka 35 GeV och den högsta är cirka 180 GeV. Detta låter inte som en mycket hög energipunkt, med tanke på att för de senaste J/psi- och Upsilon-mätningarna från UPC:er vid LHC har vi studerat processer upp till 1000-talets GeV. Nyckelpunkten här är att även om energin är mycket lägre i våra Rho0-studier, dipolstorleken är mycket stor."

Enligt teammedlemmar, många frågor förblir obesvarade inom sin forskningslinje för att bättre förstå sammansättningen av protoner och neutroner.

"Vi vet att vid HERA-kollideren fanns det redan tips om icke-linjära QCD-effekter, men det finns många teoretiska frågor som inte har besvarats såsom början av gluonmättnad, och det finns åtminstone två huvudmättnadsmodeller som vi inte vet ännu vilken som är närmast vad naturen säger att protonen är, ", sa Goncalves. "Vi har använt de senaste resultaten från CMS-samarbetet och jämfört dem med både linjära och olinjära QCD-inspirerade modeller. Vi observerade, för första gången, att CMS-data visar en tydlig avvikelse från den linjära QCD-modellen vid deras högsta energipunkt."