Jefferson Lab Hall A Collaboration, i ett experiment som leds av forskare vid Faculté des Sciences de Monastir i Tunisien, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay i Frankrike och Old Dominion University i USA, har nyligen samlat de första experimentella observationerna av djupt virtuell Compton -spridning (DVCS) i neutroner. Deras experiment, vars resultat publicerades i Naturfysik , motiverades av generaliserade partondistributioner (GPD), en nyligen utvecklad teoretisk ram som beskriver nukleons (proton eller neutron) inre dynamik när det gäller kvarker och gluoner. DVCS är den enklaste processen med GPD:er. Den består av spridning av en elektron från ett nukleon och utsläpp av en högenergifoton medan nukleonen förblir intakt.

"Protoner och neutroner består av vågor av kvarker och gluoner som är begränsade till ett utrymme cirka 100, 000 gånger mindre än storleken på en atom, "Professor Charles Hyde, en forskare vid Old Dominion University i Virginia, berättade för Phys.org. "Detta papper, från arbete i Jefferson Labs Hall A, kan beskrivas som att träffa en proton eller neutron med en elektron med hög energi, och sedan detektera en utsänd gammastrålning för att "ta en bild" av kvarkvågorna. "

I deras arbete, Hyde och hans kollegor demonstrerade en ny teknik för att separat lösa den rumsliga fördelningen av upp och ner -kvarker med specifika våglängder (dvs. distans från topp till topp), samtidigt som man mäter förskjutningen mellan vågkammarna för upp och ner kvarker. Med denna teknik, de kunde samla den första experimentella observationen av DVCS i neutroner.

"Att studera djupt virtuell Compton -spridning (DVCS) från neutronen kom som en naturlig förlängning av studier på protonen, "Dr Carlos Munoz Camacho, forskare vid Institut de Physique Nucléaire d'Orsay i Frankrike, berättade för Phys.org. "DVCS kan berätta om den tvärgående positionen och längdmomentet för kvarker inuti nukleonen. Men DVCS -experiment på protonen ensam kan inte avgöra vilken smak av kvark som foton sprider sig från. "

Eftersom inget neutronmål är helt rent, experimentellt studera DVCS från neutronen kan vara mycket utmanande. Genom att utföra DVCS från neutronen och kombinera resultaten med de som samlats i tidigare experiment på protoner, forskarna kunde kartlägga positionen och momenten för upp och ner kvarker inuti nukleonen oberoende.

I deras experiment, forskarna bestämde sig för att använda ett deuteriummål, en kärna bildad av en proton och en neutron, påverkas av en 6GeV polariserad elektronstråle. Denna stråle levererades av Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) i Newport News, Virginia.

"Vi mätte de spridda elektronerna och de energiska fotonerna som sändes ut under reaktionen med hjälp av högprecisionsdetektorer, "Dr Meriem Benali, som nyligen uppnådde sin doktorsexamen från Faculté des Sciences de Monastir i Tunisien, berättade för Phys.org. "Rekylneutronen identifierades med hjälp av en teknik som kallas energimomentumskydd."

Forskarna jämförde data de samlade i sitt experiment på deuteriumkärnan med data som samlats in tidigare med hjälp av vätemål (dvs. en kärna med endast en proton). Detta gjorde det möjligt för dem att identifiera sällsynta DVCS -händelser som inträffar i neutroner, bestämma bidragen från upp- och nedkvarkarna separat.

"Våra resultat bevisar den experimentella genomförbarheten av neutron -DVCS -mätningar, som är mycket komplementära till protoner, "Dr Malek Mazouz, professor vid Faculté des Sciences de Monastir i Tunisien, berättade för Phys.org. "Eftersom neutronen har ett annat kvarksmakinnehåll än protonen, kombinationen av neutron- och protonmätningar tillät oss, för första gången, att experimentellt studera GPD:erna på kvarknivå. "

DVCS är en svår process att mäta, speciellt från en neutron. Eftersom en neutron inte bär någon elektrisk nettoladdning, dess sannolikhet att interagera med elektroner är mycket mindre än för en proton.

Det så kallade A-samarbetet möjliggjordes av flera tekniska framsteg, inklusive den intensiva elektronstrålen från JLab och högprecisionsdetektorer. För att säkerställa dess framgång, forskarna övervakade kalibreringen av detektorerna med extrem försiktighet under de flera månader då deras experiment genomfördes.

"Protoner och neutroner är som snurror, "Sade Hyde." Ett överraskande resultat av vår studie är att genom att använda hela energiområdet för Jefferson Lab -acceleratorn, mätningarna kan också skilja på hur fördelningen av kvarkar i protonen och neutronen förändras med orienteringen av protonen eller neutronspinnet. "

Detta forskargrupp var den första som framgångsrikt observerade DVCS -processen utanför neutronen, vilket är en viktig prestation. Genom att lägga till ett antal begränsningar för GPD -modeller, deras resultat kan hjälpa till att besvara ett antal grundläggande frågor, till exempel avslöjar ursprunget för nukleonspinnet. Dessutom, deras arbete öppnar en ny väg för experimentell kartläggning av oberoende kvarksmaker inuti ett nukleon.

"Acceleratoranläggningen på JLab har nyligen uppgraderats och elektronstrålens energi är mycket högre (11 GeV), "Munoz Camacho sa." Nya DVCS-experiment pågår och planeras för framtiden, vilket gör att vi kan kartlägga fördelningarna av kvarker inuti nukleonen med större precision. DVCS-mätningar är också en av de vetenskapliga motivationerna för det framtida projektet Electron-Ion Collider (EIC), planeras byggas vid Brookhaven National Laboratory (NY, USA). "

Den nya kollideraren vid Brookhaven National Laboratory bör snart tillåta forskare att studera positioner och momentumfördelningar för gluoner, partiklarna som håller ihop kvarkar inuti protoner och neutroner. Faktiskt, kvark- och gluonavbildning är en nyckelkomponent i vetenskapsprogrammet för utvecklingen av den nya elektron-jon-kollideraren, som nyligen tillkännagavs av U.S.Department of Energy.

© 2020 Science X Network