Forskare har utvecklat ett nytt sätt att studera formerna på atomkärnor och deras inre byggstenar. Metoden bygger på att modellera produktionen av vissa partiklar från högenergikollisioner av elektroner med nukleära mål. Sådana kollisioner kommer att äga rum vid den framtida Electron Ion Collider (EIC). Resultaten publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Dessa resultat visar att kollisioner som uteslutande producerar enstaka mesoner (en partikel gjord av en kvark och antikvark) ger insikter om kärnans storskaliga struktur, till exempel dess storlek och form. Detta kommer att hjälpa till att avslöja hur mycket kärnan liknar en cigarr eller en pannkaka. Mesoner med högre momentum kan avslöja kärnstruktur på kortare längdskalor, inklusive arrangemanget av kvarkar och gluoner i protoner och neutroner.
Detta arbete tyder på att studier av mesoner som produceras i EIC-kollisioner kommer att ge nya insikter om strukturen hos atomkärnor. Denna metod skiljer sig från traditionella metoder som att kollidera två kärnor med relativt låg energi och slå ut en neutron eller proton, eller excitera kärnor i ett elektromagnetiskt fält.
Dessa traditionella metoder är känsliga för fördelningen av elektrisk laddning inom kärnor. Men den nya metoden ger insikt i fördelningen av gluoner, partiklarna som håller ihop kvarkarna som utgör dessa större kärntekniska byggstenar. Detta gör metoden till en djupare form av "röntgensyn" för atomer.
Detta arbete av teoretiker vid Brookhaven National Laboratory, University of Jyvaskyla i Finland och Wayne State University tillhandahåller en teoretisk ram för att studera kärnkraftsstruktur vid det framtida EIC. EIC är en toppmodern forskningsanläggning för kärnfysik som byggs vid Brookhaven Lab.
Forskningen visar att EIC-kollisioner som uteslutande producerar enstaka vektormesoner kommer att vara känsliga för den detaljerade strukturen hos det nukleära målet. I dessa kollisioner kan målet förbli intakt eller gå sönder. När den går sönder är tvärsnittet, som är ett mått på sannolikheten för att processen ska inträffa, känsligt för fluktuationer i målet. Dessa kan drivas av positionsfluktuationer hos neutronerna och protonerna. Det nya arbetet visar att när målet deformeras, modifieras dessa fluktuationer avsevärt, vilket förändrar det uppmätta tvärsnittet.
Eftersom mätningarna görs vid mycket högre kollisionsenergi än traditionella kärnstrukturexperiment, är interaktionerna känsliga för gluonfördelningarna inuti kärnans protoner och neutroner.
Att mäta gluonfördelningar inuti kärnan, snarare än fördelningen av elektrisk laddning, kommer att ge ny insikt om hur dessa två fördelningar skiljer sig åt, och hur gluonfördelningen beror på energin som används för att göra mätningen.
Denna teknik öppnar en ny riktning för forskning vid EIC och kan leda till viktig information som kompletterar information från traditionella kärnstrukturexperiment. Det kommer att hjälpa forskare att förstå hur nukleära former utvecklas med energi och ge ny information om kärnkraftsstruktur som tidigare var otillgänglig.
Mer information: Heikki Mäntysaari et al, Multiscale Imaging of Nuclear Deformation at the Electron-Ion Collider, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.062301
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
