Po raz pierwszy za pomocą kwarków i gluonów udało się opisać cechy jąder atomowych dotychczas wyjaśniane istnieniem protonów i neutronów. Sztuki tej dokonali naukowcy z międzynarodowej grupy badawczej z udziałem fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.
Od odkrycia głównych składników jąder atomowych – protonów i neutronów – minął już mniej więcej wiek. Początkowo nowe cząstki uznawano za niepodzielne. W latach sześćdziesiątych pojawiła się jednak sugestia, że przy odpowiednio wysokich energiach protony i neutrony ujawnią swoją strukturę wewnętrzną: obecność kwarków ustawicznie sklejających się gluonami. Wkrótce potem istnienie kwarków zostało potwierdzone doświadczalnie. Zaskakujący może się więc wydać fakt, że mimo upływu wielu dekad nikt nie potrafił za pomocą modeli kwarkowo-gluonowych odtworzyć wyników eksperymentów jądrowych przy niskich energiach, gdy w jądrach atomowych widać tylko protony i neutrony. Wieloletni impas udało się przełamać dopiero teraz. Sztuki tej dokonali naukowcy z międzynarodowej grupy badawczej nCTEQ zajmujący się rozkładami kwarkowo-gluonowymi.
Do tej pory istniały dwa równoległe opisy jąder atomowych: jeden bazujący na protonach i neutronach, które możemy zobaczyć przy niskich energiach, oraz drugi, dla wysokich energii, oparty na kwarkach i gluonach. Nam udało się połączyć te dwa dotychczas rozdzielone światy – tłumaczy dr hab. Aleksander Kusina, jeden z trzech teoretyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN uczestniczących w badaniach.
Człowiek widzi swoje otoczenie, ponieważ za pomocą wrodzonych detektorów (oczu) rejestruje rozproszone fotony, które wcześniej oddziaływały z atomami i cząsteczkami tworzącymi obiekty naszego otoczenia. Fizycy zdobywają wiedzę o jądrach atomowych w podobny sposób: ostrzeliwują je mniejszymi cząstkami i skrupulatnie analizują rezultaty zderzeń. Z przyczyn praktycznych używa się jednak nie elektrycznie obojętnych fotonów, lecz cząstek elementarnych niosących ładunek, zwykle elektronów. Z eksperymentów wynika wówczas, że gdy elektrony mają stosunkowo niskie energie, jądra atomowe zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów (czyli protonów oraz neutronów), podczas gdy przy wysokich energiach elektronów, wewnątrz jąder atomowych „widać” partony (czyli kwarki i gluony). Rezultaty zderzania jąder atomowych z elektronami odtwarzano dość dobrze, do opisu zderzeń niskoenergetycznych używając modeli zakładających istnienie samych nukleonów, a do zderzeń wysokoenergetycznych – samych partonów. Jednak do tej pory te dwa opisy nie dawały się połączyć w spójny obraz.
Ffizycy z IFJ PAN wykorzystali dane dotyczące zderzeń wysokoenergetycznych, w tym zebrane za pomocą detektorów akceleratora LHC w ośrodku CERN w Genewie. Głównym celem było badanie struktury partonowej jąder atomowych przy wysokich energiach, obecnie opisywanej przez funkcje rozkładu partonów (parton distribution functions – PDFs). Funkcje te są używane do odwzorowania, jak kwarki i gluony rozkładają się wewnątrz protonów i neutronów oraz w całym jądrze atomowym. Dysponując funkcjami PDF dla jądra atomowego można wyznaczać parametry mierzalne doświadczalnie, takie jak prawdopodobieństwo powstania określonej cząstki w zderzeniu elektronu lub protonu z jądrem.
Od strony teoretycznej istotą zaproponowanej innowacji było umiejętne rozbudowanie funkcji rozkładu partonów, inspirowane tymi modelami jądrowymi służącymi do opisu zderzeń niskoenergetycznych, gdzie zakładano, że protony i neutrony łączą się w silnie oddziałujące pary nukleonów: proton-neutron, proton-proton i neutron-neutron. Nowatorskie podejście pozwoliło badaczom wyznaczyć dla 18 badanych jąder atomowych funkcje rozkładu partonów w jądrach atomowych, rozkłady partonów w skorelowanych parach nukleonów, a nawet liczby takich skorelowanych par. Rezultaty potwierdziły obserwację znaną z eksperymentów niskoenergetycznych, zgodnie z którą większość skorelowanych par to pary proton-neutron (wynik ten jest szczególnie interesujący dla ciężkich jąder, np. złota czy ołowiu). Inną zaletą podejścia zaproponowanego w artykule jest lepszy opis danych doświadczalnych niż w przypadku metod tradycyjnych, standardowo stosowanych do wyznaczania rozkładów partonowych PDF w jądrach atomowych.
W naszym modelu wprowadziliśmy modyfikacje symulujące zjawisko łączenia się pewnych nukleonów w pary. Uznaliśmy bowiem, że efekt może być istotny także na poziomie partonowym. Co ciekawe, pozwoliło to na koncepcyjne uproszczenie opisu teoretycznego, które w przyszłości powinno umożliwić nam bardziej precyzyjne badanie rozkładów partonowych dla poszczególnych jąder atomowych – wyjaśnia dr hab. Aleksander Kusina.
Zgodność przewidywań teoretycznych z danymi eksperymentalnymi oznacza, że za pomocą modelu partonowego i danych z obszaru wysokich energii po raz pierwszy udało się odtworzyć zachowania jąder atomowych dotychczas tłumaczone wyłącznie za pomocą opisu nukleonowego i danych ze zderzeń o niskich energiach. Wyniki, które opublikowano na łamach czasopisma Physical Review Letters, otwierają nowe perspektywy dla lepszego zrozumienia struktury jądra atomowego, unifikującego jego aspekty wysoko- i niskoenergetyczne.
źródło: IFJ PAN