Forskare har hittat ett nytt sätt att "se" inuti de enklaste atomkärnorna för att bättre förstå "limmet" som håller ihop materiens byggstenar. Resultaten, precis publicerade i Physical Review Letters , kommer från kollisioner av fotoner (ljuspartiklar) med deuteroner, de enklaste atomkärnorna (gjorda av bara en proton bunden till en neutron).

Kollisionerna ägde rum vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en avdelning för vetenskapskontor i USA:s energidepartement (DOE) för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory. Forskare från hela världen analyserar data från RHIC:s subatomära smashups för att få insikt i de partiklar och krafter som bygger upp den synliga materien i vår värld.

I dessa speciella kollisioner verkade fotonerna ungefär som en röntgenstråle för att ge den första glimten av hur partiklar som kallas gluoner är ordnade i deuteronet.

"Gluonen är mycket mystisk", säger Brookhaven Lab-fysikern Zhoudunming Tu, som ledde detta projekt för RHIC:s STAR Collaboration. Gluoner, som "bärare" av den starka kraften*, är det lim som binder kvarkar, de inre byggstenarna för protoner och neutroner. De håller också ihop protoner och neutroner för att bilda atomkärnor. "Vi vill studera gluonfördelningen eftersom det är en av nycklarna som binder kvarkarna samman. Den här mätningen av gluonfördelningen i en deuteron har aldrig gjorts tidigare."

Dessutom, eftersom foton-deuteron-kollisioner ibland bryter isär deuteronerna, kan kollisionerna hjälpa forskare att förstå denna process.

"Att mäta uppdelningen av deuteronet säger oss mycket om de grundläggande mekanismerna som håller ihop dessa partiklar i kärnor i allmänhet", sa Tu.

Att förstå gluoner och deras roll i kärnämne kommer att vara ett centralt fokus för forskningen vid Electron-Ion Collider (EIC), en framtida kärnfysikforskningsanläggning i planeringsstadiet vid Brookhaven Lab. Vid EIC kommer fysiker att använda fotoner som genereras av elektroner för att undersöka gluonfördelningar inuti protoner och kärnor, såväl som kraften som håller samman kärnorna. Men Tu, som har utvecklat planer för forskning vid EIC, insåg att han kunde få några ledtrådar genom att titta på befintliga data från RHIC:s 2016 experiment på deuteroner.

"Motivationen för att studera deuteronet är för att den är enkel, men den har fortfarande allt som en komplex kärna har," förklarade Tu. "Vi vill studera det enklaste fallet av en kärna för att förstå denna dynamik – inklusive hur de förändras när du går från en enkel proton till de mer komplexa kärnorna vi kommer att studera vid EIC."

Så han började sålla igenom data som samlats in av STAR från hundratals miljoner kollisioner under 2016.

"Datan fanns där. Ingen hade tittat på deuteronens gluonfördelning förrän jag började när jag var Goldhaber Fellow 2018. Jag hade precis gått med i Brookhaven och jag hittade den här kopplingen till EIC."

Lyser ljuset

RHIC kan accelerera ett brett spektrum av joner - atomkärnor avskalade från sina elektroner. Den kan till och med skicka strålar av två olika typer av partiklar som rusar i motsatta riktningar genom tvillingringarna på sin 2,4 mil långa cirkulära racerbana med nästan ljusets hastighet. Men det kan inte accelerera fotoner direkt.

Men tack vare fysiken, som nyligen behandlats här, avger snabbt rörliga partiklar med mycket positiv laddning sitt eget ljus. Så 2016, när RHIC kolliderade deuteroner med högt laddade guldjoner, omgavs dessa snabba guldjoner av moln av fotoner. Genom att identifiera "ultra-perifera kollisioner" – där deuteronen bara tittar efter en guldjons moln av fotoner – insåg Tu att han kunde studera fotoner som interagerar med deuteroner för att få en glimt inuti.

Det tydliga tecknet på dessa interaktioner är produktionen av en partikel som kallas J/psi, utlöst av fotonen som interagerar med gluoner inuti deuteronet.

"Jag hittade 350 J/psi. Det finns bara 350 händelser av de hundratals miljoner kollisioner som registrerats av STAR-experimentet. Det är faktiskt en mycket sällsynt händelse," sa Tu.

Även om J/psi snabbt sönderfaller, kan STAR-detektorn spåra sönderfallsprodukterna för att mäta hur mycket momentum som överfördes från interaktionen. Genom att mäta fördelningen av momentumöverföring över alla kollisioner kan forskare sluta sig till gluonfördelningen.

"Det finns en en-till-en-koppling mellan momentumöverföringen ('sparken' som ges till J/psi) och var gluonen finns i deuteronet," förklarade Tu. "I genomsnitt ger gluoner inuti själva kärnan av deuteronet en mycket stor impulskick. Gluoner i periferin ger en mindre kick. Så att titta på den övergripande impulsfördelningen kan användas för att kartlägga gluonfördelningen i deuteronet."

"Fynden från vår studie har fyllt en lucka i vår förståelse av gluondynamik mellan en fri proton och en tung kärna", säger Shuai Yang, en STAR-samarbetspartner från South China Normal University. Yang har varit en ledande fysiker i användningen av ljus som emitteras av snabbrörliga joner för att studera egenskaperna hos kärnämne vid ultraperifera kärna-kärna-kollisioner vid RHIC och vid Europas Large Hadron Collider (LHC). "Detta arbete bygger en bro som förbinder partikelfysik och kärnfysik," sa han.

En annan ledande bidragsgivare, William Schmidke från Brookhaven Lab, sa:"Vi har faktiskt studerat den här processen i många år. Men detta är det första resultatet som berättar gluondynamiken för både individuella nukleoner (den samlade termen för protoner och neutroner). och kärnan i samma system."

Studerar deuteron breakup

Förutom att generera en J/psi-partikel, ger varje foton-gluon-interaktion också en momentumkick som avleder deuteronet - eller bryter isär den enkla kärnan till en proton och neutron. Att studera upplösningsprocessen ger insikt i den gluongenererade kraft som håller samman kärnorna.

Vid ett uppbrott kröker den positivt laddade protonen bort i RHIC-acceleratorns magnetfält. Men den neutrala neutronen fortsätter att röra sig rakt fram. För att fånga dessa "åskådarneutroner" har STAR en detektor placerad 18 meter från dess mitt längs strållinjen i ena änden.

"Denna process är väldigt enkel," noterade Tu. "Bara en J/psi produceras i mitten av STAR. De enda andra partiklarna som kan skapas är från denna deuteronupplösning. Så varje gång du får en neutron vet du att den här kommer från deuteronupplösningen. STAR-detektorn kan otvetydigt mäta denna process med hög energi."

Att mäta hur upplösningsprocessen är associerad med en J/psi-partikel som produceras via gluoninteraktion kan hjälpa forskare att förstå gluonernas roll i interaktionen mellan protoner och neutroner. Den kunskapen kan skilja sig från vad forskarna förstår om dessa interaktioner vid låg energi.

"Vid hög energi "ser" fotonen nästan ingenting annat än gluoner inuti deuteronet," sa Tu. "Efter att gluonerna har "sparkat" J/psi-partikeln, är hur denna "spark" leder till ett uppbrott mycket troligt relaterat till gluondynamiken mellan protonen och neutronen. Fördelen med denna mätning är att vi experimentellt kan identifiera gluon- dominerade kanalen och kärnkraftsupplösningen på samma gång."

Dessutom noterar Tu att mätning av neutroner som produceras via kärnkraftsupplösning – allmänt känd som "spectator tagging" – är en bred och användbar teknik och definitivt kommer att användas vid framtida EIC.

Men på EIC, "instrumenteringen kommer att bli mycket bättre och kommer att ha mer täckning," förklarade han. "Vi kommer att ytterligare kunna förbättra precisionen för mätningar av rumslig distribution av gluon från lätta kärnor till tunga kärnor. Och EIC-detektorsystem kommer att fånga nästan allt om kärnuppdelningen, så vi kan studera ännu mer i detalj hur nukleoner interagerar med varandra ."

Ytterligare viktiga bidragsgivare som samarbetade för att utföra de komplicerade dataanalyserna för denna studie inkluderar Brookhaven Lab-fysikerna Jaroslav Adam, Zilong Chang och Thomas Ullrich.

* Den starka kraften är den starkaste av de fyra grundläggande krafterna i naturen (stark, svag, elektromagnetisk och gravitationskraft). Och till skillnad från någon av de andra krafterna blir interaktionsstyrkan större med ökande avstånd. Bindningskraften mellan två kvarkar på ett avstånd över 10 ^-15 meter (något längre än en miljondels miljarddels meter) är mer än 10 ton. + Utforska vidare

Undersöker ursprunget till protonspin