Експеримент дає перший погляд на внутрішню структуру нейтрона

Експеримент, який тривав понад 10 років, дозволив вперше побачити ураган частинок, що кружляють усередині субатомних частинок, званих нейтронами, заклавши основу для розгадки таємниці глибоко в серці матерії. Дані з центрального детектора нейтронів Національного прискорювального заводу Томаса Джефферсона (TJNAF) Міністерства енергетики США вже відіграють важливу роль в описі квантової карти нейтронного двигуна.

«Це досить важливий результат для вивчення нуклонів», — каже Сільвія Нікколаі, керівник досліджень Французького національного центру наукових досліджень.

Те, що ми вважаємо ядром атома, — це вулик ще менших частинок, званих кварками, які борються проти липкого обміну глюонами. Усюди, де два кварки аромату під назвою «вгору» пов’язані з ароматом під назвою «вниз», ви знайдете протон. Зробіть це два нижніх кварки та один вгору, і ви отримаєте нейтрон.

Описуючи тріо кварків таким чином, вони звучать організовано, як яйця в коробці. По правді кажучи, їхнє існування зовсім не організоване зручно, з хаотичним штормом частинок і античастинок, які існують і не існують у квантовому змаганні.

Щоб зрозуміти розподіл і рух роїв кварків у їхніх глюонних кайданах, фізики традиційно стріляли в ядерні частинки електронами та спостерігали, як крихітні кульки рикошетять. Щоб полегшити опис результатів цих експериментів, теоретики називають одиниці кварків і глюонів, що діють в різних квантових рамках, партонами.

В останні десятиліття експерименти на прискорювачах частинок високої енергії з використанням спектрометра CEBAF Large Acceptance Spectrometer та його модернізації в TJNAF розшифрували партонну головоломку протона, розгадавши таємниці, які включають незрозумілу невідповідність між масою та розміром нуклона. Нейтрони виявилися більш міцним горішком, викидаючи свою електронну шрапнель під кутами, недоступними для детектора спектрометра.

«У стандартній конфігурації виявлення нейтронів під цими кутами було неможливо», — каже Нікколаї.

У 2011 році у співпраці з CNRS почалося будівництво нового детектора, який зрештою був встановлений у 2017 році, а потім був запущений у початкових експериментальних запусках у 2019 та 2020 роках.

Далеко не гладко, план експерименту дозволяв випадковим протонам проникати та забруднювати результати. Лише після деякого очищення від спеціально розробленого фільтра машинного навчання ці цифри можна було б нарешті застосувати до теоретичних моделей активності нейтронів.

Перше дослідження, яке використало ці дані, наклало такі необхідні обмеження на один із найменш зрозумілих розподілів партонів у нейтронах, відомий як узагальнений розподіл партонів (GPD) E. Порівнюючи результати експерименту з попередніми даними про протони, дослідники використовували відмінності у кварках, щоб відрізнити важливу математичну особливість GPD E від аналогічної моделі.

«GPD E дуже важливий, оскільки він може надати нам інформацію про спінову структуру нуклонів», — каже Нікколаї.

Спін у квантовому сенсі інкапсулює якість, подібну до кутового моменту в нашому повсякденному світі. Попередні вимірювання спінів кварків, які утворюють протони та нейтрони, показали, що ці характеристики складають не більше ніж близько 30 відсотків загального обертання нуклона, що призводить до так званої спінової кризи.

Питання, звідки береться частина, що залишилася, чи то взаємодія з глюонами, чи якась інша малозрозуміла поведінка, – це питання, яке нарешті зможуть вирішити майбутні експерименти. Наявність засобів для точного порівняння подвійних двигунів, що спалахують у серцях атомів, майже напевно призведе до захоплюючих нових ідей у ​​квантовій механіці. Це дослідження опубліковано в Physical Review Letters.