Proton kütle yarıçapı, elektrik yükü yarıçapından (yoğun bir çekirdek) daha küçükken, bir skaler gluon aktivitesi bulutu, yük yarıçapının ötesine uzanır. Bu bulgu, hapsedilmeye ve protondaki kütle dağılımına ışık tutabilir. Kredi: Argonne Ulusal Laboratuvarı
“Büyüleyici” Deney Protondaki Gluon Kütlesini Buluyor
Protonun gluonik yerçekimi form faktörlerinin deneysel olarak belirlenmesi, protonun gizli kütlesinin bir kısmını ortaya çıkarmış olabilir.{4 }
Nükleer fizikçiler sonunda, kütlesinin büyük bir kısmının protonun neresinde bulunduğunu saptamış olabilirler. ABD Enerji Bakanlığı’nın Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinde yakın zamanda gerçekleştirilen bir deney, protonun yapı taşı kuarklarını birbirine yapıştırırken güçlü kuvvet tarafından üretilen proton kütlesinin yarıçapını ortaya çıkardı. Sonuç 29 Mart’ta Nature dergisinde yayınlandı.
Protonun en büyük gizemlerinden biri, kütlesinin kökenidir. Protonun ölçülen kütlesinin yalnızca onun fiziksel yapı taşlarından, sözde üç değerlik kuarkından gelmediği ortaya çıktı.
“Bir protondaki kuarkların Standart Model kütlelerini toplarsanız, DOE’nin Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda deneysel fizikçi olan deney eş sözcüsü Sylvester Joosten, “protonun kütlesinin yalnızca küçük bir kısmını elde edin,” diye açıkladı.
Son birkaç on yılda, nükleer fizikçiler, protonun kütlesini geçici olarak bir araya getirdiler. birkaç kaynaktan geliyor. Birincisi, kütlesinin bir kısmını kuarklarının kütlelerinden, birazını da hareketlerinden alır. Ardından, bu kuarkları birbirine yapıştıran güçlü kuvvet enerjisinden kütle elde eder ve bu kuvvet “gluonlar” olarak tezahür eder. Son olarak, kütleyi protonun kuarkları ve gluonlarının dinamik etkileşimlerinden alır.
Bu yeni ölçüm sonunda, bu gluonlar tarafından üretilen maddenin yerini belirleyerek, protonun gluonları tarafından üretilen kütleye biraz ışık tutmuş olabilir. Bu madde çekirdeğinin yarıçapının protonun merkezinde bulunduğu bulundu. Sonuç ayrıca, bu çekirdeğin, protonun iyi ölçülmüş yük yarıçapından farklı bir boyuta sahip olduğunu gösteriyor gibi görünüyor; bu, genellikle protonun boyutunu temsil eden bir niceliktir.
“Bu kütle yapısının yarıçapı, Jefferson Lab’ın Halls A&C lideri, deneyin eş sözcüsü Mark Jones, “Yük yarıçapından daha küçük ve bu nedenle bize nükleonun yük yapısına karşı kütle hiyerarşisi hakkında bir fikir veriyor” dedi.
DOE’nin Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda kadrolu bilim insanı olan deneyin eş sözcüsü Zein-Eddine Meziani’ye göre, bu sonuç aslında biraz sürpriz oldu.
“Bulduğumuz şey gerçekten beklemediğimiz bir şeydi. bu şekilde çıkmak için. Bu deneyin asıl amacı, CERN’deki araştırmacılar tarafından bildirilen bir pentakuark aramaktı,” dedi Meziani,
Deney, bir DOE Ofisi olan Jefferson Lab’ın Sürekli Elektron Işını Hızlandırıcı Tesisi’ndeki Deneysel Salon C’de gerçekleştirildi. bilim kullanıcı tesisi. Deneyde, CEBAF hızlandırıcısından gelen enerjik 10.6 GeV (milyar elektron-volt) elektronlar küçük bir bakır bloğa gönderildi. Elektronlar blok tarafından yavaşlatıldı veya saptırıldı, bu da onların fotonlar olarak bremsstrahlung radyasyonu yaymalarına neden oldu. Bu foton ışını daha sonra bir sıvı hidrojen hedefinin içindeki protonları vurdu. Dedektörler, bu etkileşimlerin kalıntılarını elektronlar ve pozitronlar olarak ölçtüler.
Deneyciler, hidrojenin proton çekirdekleri arasında J/ Ψ parçacıkları üreten etkileşimlerle ilgileniyorlardı. J/ Ψ, tılsım/karşı tılsım kuarklarından oluşan kısa ömürlü bir mezondur. Oluştuktan sonra hızla bir elektron/pozitron çiftine dönüşür.
Deneyciler, çakışan elektron/pozitronu doğrulayarak bu etkileşimlerin enine kesit ölçümlerinde milyarlarca etkileşimden yaklaşık 2.000 J/ Ψ parçacığı buldular. çiftler.
“Başından beri yaptığımız şeye benziyor. Elektronun proton üzerinde elastik saçılımını yaparak, protonun yük dağılımını elde ettik,” dedi Jones. “Bu durumda, protondan J/ Ψ’nin özel foto üretimini yaptık ve yük dağılımı yerine gluon dağılımını elde ediyoruz.”
Daha sonra ortak çalışanlar bu haçları ekleyebildiler. Protonun gluonik yerçekimi form faktörlerini tanımlayan teorik modellere kesit ölçümleri. Gluonik form faktörleri, protonun kütlesi ve basıncı gibi mekanik özelliklerini ayrıntılı olarak açıklar.
“Çekimsel form faktörleri olarak bilinen ve çıkarabildiğimiz iki miktar vardı. , çünkü şu iki modele erişimimiz vardı: genelleştirilmiş parton dağılımları modeli ve holografik kuantum renk dinamiği (QCD) modeli. Ve bu modellerin her birinden elde edilen sonuçları kafes QCD hesaplamalarıyla karşılaştırdık,” diye ekledi Meziani.
Bu niceliklerin iki farklı kombinasyonundan, deneyciler yukarıda bahsedilen graviton benzeri gluonların baskın olduğu gluonik kütle yarıçapını da belirlediler. hareket eden kuarkların ötesine uzanan ve onları sınırlayan çekici skaler gluonların daha büyük bir yarıçapı olarak.
“Deneyimizin daha şaşırtıcı bulgularından biri, teorik model yaklaşımlarından birinde, verilerimizin bir skalere işaret etmesidir. elektromanyetik proton yarıçapının çok ötesine uzanan gluon dağılımı,” dedi Joosten. “Bu yeni gözlemleri ve bunların hapsedilme anlayışımız üzerindeki etkilerini tam olarak anlamak için, yüksek hassasiyetli yeni nesil J/ Ψ deneylerine ihtiyacımız olacak.”
Bu heyecan verici yeni sonucun daha fazla keşfedilmesi için bir olasılık, SoLID adı verilen Solenoidal Büyük Yoğunluk Cihazı deney programı. SoLID programı henüz öneri aşamasındadır. Devam etmesi onaylanırsa, SoLID aparatı ile yapılan deneyler, SoLID detektörüyle J/ Ψ üretimine ilişkin yeni bilgiler sağlayacaktır. Gerçekten de bu bölgede yüksek hassasiyetli ölçümler yapabilecek. Bu programın en önemli dayanaklarından biri J/ Ψ üretimi, enine momentum dağılımı ölçümleri ve pariteyi ihlal eden derin inelastik saçılma ölçümleridir,” dedi Jones.
Jones, Joosten ve Meziani şunları içeren deneysel bir iş birliğini temsil ediyor: 10 kurumdan 50’den fazla nükleer fizikçi. Sözcüler ayrıca baş yazar ve Knoxville’deki Tennessee Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırma görevlisi olan Burcu Duran’ı vurgulamak istiyor. Duran bu deneyi doktorasında öne çıkardı. Tezini Temple Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olarak yaptı ve verilerin analizinin arkasındaki itici güç oldu.
İşbirliği, deneyi Şubat-Mart 2019’da yaklaşık 30 gün boyunca gerçekleştirdi. Bu yeni sonucun, merak uyandırıcı ve hepsinin ima ettiği yeni fiziğe ilişkin ipuçlarına ek ışık tutacak gelecekteki sonuçları sabırsızlıkla beklediklerini söylüyorlar.
“Sonuç olarak, şu anda benim için bir heyecan var. Gördüklerimizi doğrulamanın bir yolunu bulabilir miyiz? Bu yeni resim bilgisi kalıcı olacak mı?” Meziani dedi. “Ama benim için bu gerçekten çok heyecan verici. Çünkü şimdi bir protonu düşünürsem, onun hakkında daha önce sahip olduğumuzdan daha fazla bilgiye sahibiz.”
Referans: “Protonun gluonik yerçekimi form faktörlerinin belirlenmesi”, B. Duran, Z .-E. Meziani, S. Joosten, M. K. Jones, S. Prasad, C. Peng, W. Armstrong, H. Atac, E. Chudakov, H. Bhatt, D. Bhetuwal, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. M. Dalton, N. Deokar, M. Diefenthaler, J. Dunne, L. El Fassi, E. Fuchey, H. Gao, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, D. Higinbotham, S. Jia, A. Karki, C. Keppel, P. King, H. S. Ko, X. Li, R. Li, D. Mack, S. Malace, M. McCaughan, R. E. McClellan, R. Michaels, D. Meekins, Michael Paolone, L Pentchev, E. Pooser, A. Puckett, R. Radloff, M. Rehfuss, P.E. Reimer, S. Riordan, B. Sawatzky, A. Smith, N. Sparveris, H. Szumila-Vance, S. Wood, J. Xie, Z. Ye, C. Yero ve Z. Zhao, 29 Mart 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4
Finansman: DOE/ ABD Enerji Bakanlığı