Forskare håller upp en "spegel" för protoner och neutroner för att lära sig mer om partiklarna som bygger vårt synliga universum. MARATHON-experimentet, utfört vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility, har fått tillgång till nya detaljer om dessa partiklars strukturer genom att jämföra de så kallade spegelkärnorna, helium-3 och triton. Resultaten publicerades nyligen i Physical Review Letters .

De fundamentala partiklarna som bildar det mesta av den materia vi ser i universum – kvarkar och gluoner – är begravda djupt inne i protonerna och neutronerna, nukleonerna som utgör atomkärnor. Förekomsten av kvarkar och gluoner bekräftades först för ett halvt sekel sedan i Nobelprisbelönta experiment som utfördes vid DOE:s Stanford Linear Accelerator Center (nu känt som SLAC National Accelerator Laboratory).

Dessa första experiment av sitt slag introducerade eran av djup oelastisk spridning. Denna experimentella metod använder högenergielektroner som färdas djupt inuti protoner och neutroner för att undersöka kvarkarna och gluonerna där.

"När vi säger djup oelastisk spridning, vad vi menar är att kärnor som bombarderas med elektroner i strålen bryts upp omedelbart och avslöjar därigenom nukleonerna inuti dem när de spridda elektronerna fångas med toppmoderna partikeldetekteringssystem," sa Gerassimos ( Makis) Petratos, professor vid Kent State University och talesperson och kontaktperson för MARATHON-experimentet.

De enorma partikeldetektorsystemen som samlar in elektronerna som kommer ut från dessa kollisioner mäter deras momenta – en kvantitet som inkluderar elektronernas massa och hastighet.

Sedan de första experimenten för fem decennier sedan har experiment med djup oelastisk spridning utförts runt om i världen på olika laboratorier. Dessa experiment har underblåst kärnfysikers förståelse av kvarkars och gluoners roll i protonernas och neutronernas struktur. Idag fortsätter experiment att finjustera denna process för att få fram allt mer detaljerad information.

I det nyligen avslutade MARATHON-experimentet jämförde kärnfysiker resultaten av djupa oelastiska spridningsexperiment för första gången i två spegelkärnor för att lära sig om deras strukturer. Fysikerna valde att fokusera på kärnorna helium-3 och tritium, som är en isotop av väte. Medan helium-3 har två protoner och en neutron, har tritium två neutroner och en proton. Om du kunde "spegla"-omvandla helium-3 genom att omvandla alla protoner till neutroner och neutroner till protoner, skulle resultatet bli tritium. Det är därför de är kända som spegelkärnor.

"Vi använde det enklaste spegelkärnsystemet som finns, tritium och helium-3, och det är därför det här systemet är så intressant", säger David Meekins, en forskare vid Jefferson Lab och en medtalesman för MARATHON-experimentet.

"Det visar sig att om vi mäter förhållandet mellan tvärsnitt i dessa två kärnor, kan vi komma åt protonernas strukturfunktioner i förhållande till neutroner. Dessa två kvantiteter kan vara relaterade till fördelningen av upp- och nedkvarkar inuti kärnorna." sa Petratos.

MARATHON-experimentet, som först skapades i en sommarworkshop 1999, genomfördes slutligen 2018 i Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility, en DOE-användaranläggning. De mer än 130 medlemmarna i MARATHONs experimentella samarbete övervann många hinder för att genomföra experimentet.

Till exempel krävde MARATHON de högenergielektroner som möjliggjordes av 12 GeV CEBAF Upgrade Project som slutfördes 2017, samt ett specialiserat målsystem för tritium.

"För detta individuella experiment var den klart största utmaningen målet. Tritium är en radioaktiv gas, vi behövde säkerställa säkerheten framför allt", förklarade Meekins. "Det är en del av labbets uppdrag:Det finns inget så viktigt att vi kan offra säkerheten."

Experimentet skickade 10,59 GeV (miljarder elektronvolt) elektroner till fyra olika mål i experimenthall A. Målen inkluderade helium-3 och tre isotoper av väte, inklusive tritium. De utgående elektronerna samlades in och mättes med hallens vänstra och högra högupplösta spektrometrar.

När datainsamlingen väl var klar arbetade samarbetet med att noggrant analysera datan. Den slutliga publikationen inkluderade originaldata för att andra grupper skulle kunna använda modellfria data i sina egna analyser. Den erbjöd också en analys ledd av Petratos som är baserad på en teoretisk modell med minimala korrigeringar.

"Det som vi ville klargöra är att det här är mätningen vi gjorde, det här är hur vi gjorde det, det här är den vetenskapliga utvinningen från mätningen och det är så här vi gjorde det," förklarar Meekins. "Vi behöver inte oroa oss för att gynna någon modell framför en annan – vem som helst kan ta data och tillämpa den."

Förutom att ge en exakt bestämning av förhållandet mellan proton/neutronstrukturens funktionsförhållanden, inkluderar data även högre elektronmomentmätningar av dessa spegelkärnor än vad som var tillgängliga tidigare. Denna högkvalitativa datamängd öppnar också en dörr till ytterligare detaljerade analyser för att svara på andra frågor inom kärnfysik, till exempel varför kvarkar är olika fördelade inuti kärnor jämfört med fria protoner och neutroner (ett fenomen som kallas EMC-effekten) och andra studier av strukturerna av partiklar i kärnor.

När MARATHON:s talesmän diskuterade resultaten var de snabba med att kreditera samarbetsmedlemmarnas hårda arbete för de slutliga resultaten.

"Framgången för detta experiment beror på den enastående grupp människor som deltog i experimentet och även det stöd vi fick från Jefferson Lab", säger Mina Katramatou, professor vid Kent State University och en medtalesman för MARATHON-experimentet. "Vi hade också en fantastisk grupp unga fysiker som arbetade med detta experiment, inklusive postdoktorala forskare i tidiga karriärer och doktorander."

"Det var fem doktorander som fick sin avhandlingsforskning från dessa data," bekräftade Meekins. "Och det är bra data, vi gjorde ett bra jobb och det var svårt att göra." + Utforska vidare

Maratonexperiment avslöjar kvarkars egenheter