Огромный эксперимент дает первое представление о внутренней структуре нейтрона
Эксперимент, который готовился более 10 лет, позволил впервые увидеть ураган частиц, вращающихся внутри субатомных частиц, называемых нейтронами, и заложил основу для разгадки тайны глубоко в сердце материи.
Данные центрального детектора нейтронов в Национальном ускорительном комплексе им. Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. (TJNAF) уже играет роль в описании квантовой карты нейтронного двигателя.
«Это весьма важный результат для изучения нуклонов», — говорит Сильвия Николаи, директор по исследованиям Национального центра научных исследований Франции.
То, что мы считаем ядром атома, представляет собой улей еще более мелких частиц, называемых кварками, которые борются с липким обменом глюонов. Везде, где два кварка с ароматом, называемым «верхним», связаны с ароматом, называемым «нижним», вы найдете протон. Сделайте два нижних кварка и один верхний, и вы получите нейтрон.
Описание кварковых трио таким образом заставляет их звучать так же организованно, как яйца в картонной упаковке. На самом деле их существование организовано совсем не так, как удобно: хаотическая буря частиц и античастиц существует и не существует в квантовой конкуренции.
Чтобы понять распределение и движение роев кварков в их глюонных оковах, физики традиционно стреляли ядерными частицами электронами и наблюдали, как крошечные пули рикошетят. Чтобы облегчить описание результатов этих экспериментов, теоретики называют единицы кварков и глюонов, действующих в различных квантовых структурах, партонами.
В последние десятилетия эксперименты на ускорителе частиц высоких энергий с использованием Спектрометра большого приема CEBAF и его модернизации в TJNAF позволили расшифровать партонную загадку протона, разрешив тайны, которые включают сбивающее с толку несоответствие между массой и размером нуклона.
Нейтроны оказались более крепким орешком, поскольку они теряли их электронные шрапнели под углами, недоступными для детектора спектрометра.
«В стандарте конфигурации, в этих углах невозможно было обнаружить нейтроны», — говорит Николаи.
В 2011 году было построено Работа над новым детектором началась в сотрудничестве с CNRS, который в конечном итоге был установлен в 2017 году, а затем прошел первые экспериментальные испытания в 2019 и 2020 годах.
Проведение эксперимента было непростым: в ходе эксперимента случайные протоны могли проникнуть внутрь и испортить результаты. Только после некоторой очистки от специально разработанного фильтра машинного обучения числа можно было наконец применить к теоретическим моделям нейтронной активности.
Первое исследование, в котором использовались эти данные, наложило столь необходимые ограничения на одно из наименее изученных распределений партонов в нейтронах, известное как обобщенное распределение партонов (GPD) E.
Сравнивая результаты эксперимента с предыдущими данными о протонах, исследователи использовали различия в кварках, чтобы отличить важную математическую особенность GPD E от аналогичной модель.
«GPD E очень важен, поскольку он может дать нам информацию о спиновой структуре нуклонов. «, — говорит Никколаи.
Спин в квантовом смысле воплощает в себе качество, подобное угловому моменту в нашем повседневном мире. Предыдущие измерения спинов кварков, составляющих протоны и нейтроны, показали, что эти характеристики составляют не более 30 процентов от общего спина нуклона, что приводит к так называемому спиновому кризису.
Откуда берется оставшаяся часть, будь то взаимодействие с глюонами или какое-то другое, менее изученное поведение, – это вопрос, который наконец смогут решить будущие эксперименты. решить.
Наличие средства для точного сравнения двойных двигателей, пылающих в сердцах атомов, почти наверняка приведет к новым интересным открытиям в области квантовой механики.
Это исследование опубликовано в Physical Review Letters.
