Atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona, čestica koje postoje kroz interakciju kvarkova povezanih gluonima. Čini se, dakle, da ne bi trebalo biti teško reprodukovati sva svojstva atomskih jezgara koja su do sada primećena u nuklearnim eksperimentima koristeći samo kvarkove i gluone. Međutim, tek sada su to uspeli fizičari, uključujući i one sa Instituta za nuklearnu fiziku Poljske akademije nauka u Krakovu.
Prošao je skoro vek od otkrića glavnih komponenti atomskih jezgara: protona i neutrona. U početku su se nove čestice smatrale nedeljivim. Tokom 1960-ih, međutim, postojala je sugestija da će, pri dovoljno visokim energijama, protoni i neutroni otkriti svoju unutrašnju strukturu – prisustvo kvarkova koje gluoni stalno drže zajedno.
Ubrzo nakon toga, postojanje kvarkova je eksperimentalno potvrđeno. Stoga može izgledati iznenađujuće da, uprkos prolasku mnogo decenija, niko nije uspeo da reprodukuje sa kvark-gluonskim modelima rezultate nuklearnih eksperimenata pri niskim energijama kada su samo protoni i neutroni vidljivi u atomskim jezgrima.
Ovaj dugogodišnji ćorsokak je tek sada prekinut, u radu objavljenom u Physical Review Letters. Njegovi glavni autori su naučnici iz međunarodne nCTEK saradnje o distribucijama kvark-gluona, uključujući i one sa Instituta za nuklearnu fiziku Poljske akademije nauka (IFJ PAN) u Krakovu.
„Do sada su postojala dva paralelna opisa atomskih jezgara, jedan na osnovu protona i neutrona koje možemo da vidimo pri niskim energijama, a drugi, za visoke energije, zasnovan na kvarkovima i gluonima. U našem radu uspeli smo da dovedemo ova dva do sada odvojena sveta zajedno“, kaže dr Aleksander Kusina, jedan od trojice teoretičara IFJ PAN koji učestvuju u istraživanju.
Ljudi vide svoje okruženje jer koriste urođene detektore (oči) da registruju rasute fotone koji su prethodno stupili u interakciju sa atomima i molekulima koji čine objekte našeg okruženja. Fizičari stiču znanja o atomskim jezgrima na sličan način: sudaraju ih sa manjim česticama i pomno analiziraju rezultate sudara.
Iz praktičnih razloga, međutim, oni ne koriste električno neutralne fotone, već elementarne čestice koje nose naelektrisanje, obično elektrone. Eksperimenti zatim pokazuju da kada elektroni imaju relativno niske energije, atomska jezgra se ponašaju kao da su napravljena od nukleona (tj. protona i neutrona), dok su pri visokim energijama partoni (tj. kvarkovi i gluoni) „vidljivi“ unutar atomskih jezgara.
Rezultati sudara atomskih jezgara sa elektronima su prilično dobro reprodukovani korišćenjem modela koji pretpostavljaju postojanje samo nukleona za opisivanje sudara niske energije, i samo partona za sudare visoke energije. Međutim, do sada ova dva opisa nisu uspela da se kombinuju u koherentnu sliku.
U svom radu, fizičari iz IFJ PAN-a koristili su podatke o visokoenergetskim sudarima, uključujući i one prikupljene u LHC akceleratoru u laboratoriji CERN-a u Ženevi. Glavni cilj je bio proučavanje partonske strukture atomskih jezgara pri visokim energijama, trenutno opisanih partonskim distributivnim funkcijama (PDF).
Ove funkcije se koriste za mapiranje kako su kvarkovi i gluoni raspoređeni unutar protona i neutrona i kroz atomsko jezgro. Sa PDF funkcijama za atomsko jezgro, moguće je odrediti eksperimentalno merljive parametre, kao što je verovatnoća stvaranja određene čestice u sudaru elektrona ili protona sa jezgrom.
Sa teorijske tačke gledišta, suština inovacije predložene u ovom radu bila je vešto proširenje funkcija distribucije partona, inspirisano onim nuklearnim modelima koji se koriste za opisivanje sudara niske energije, gde se pretpostavljalo da se protoni i neutroni kombinuju u parove koji su u jakoj interakciji. nukleona: proton-neutron, proton-proton i neutron-neutron.
Novi pristup je omogućio istraživačima da odrede, za 18 proučavanih atomskih jezgara, funkcije distribucije partona u atomskim jezgrima, partonske distribucije u koreliranim parovima nukleona, pa čak i brojeve takvih koreliranih parova.
Rezultati su potvrdili zapažanje poznato iz niskoenergetskih eksperimenata da su većina koreliranih parova proton-neutronski parovi (ovaj rezultat je posebno interesantan za teška jezgra, na primer zlato ili olovo). Još jedna prednost pristupa predloženog u ovom radu je ta što pruža bolji opis eksperimentalnih podataka od tradicionalnih metoda koje se koriste za određivanje raspodele partona u atomskim jezgrima.
„U našem modelu smo napravili poboljšanja kako bismo simulirali fenomen uparivanja određenih nukleona. To je zato što smo prepoznali da bi ovaj efekat mogao biti relevantan i na partonskom nivou. Zanimljivo je da je ovo omogućilo konceptualno pojednostavljenje teorijskog opisa, što bi trebalo u budućnosti nam omogućavaju da preciznije proučavamo partonske distribucije za pojedinačna atomska jezgra“, objašnjava dr Kusina.
Slaganje između teorijskih predviđanja i eksperimentalnih podataka znači da je, korišćenjem partonskog modela i podataka iz visokoenergetskog regiona, bilo moguće po prvi put reprodukovati ponašanje atomskih jezgara do sada objašnjeno isključivo nukleonskim opisom i podacima iz niskoenergetskog regiona. -energetski sudari. Rezultati opisanih studija otvaraju nove perspektive za bolje razumevanje strukture atomskog jezgra, objedinjujući njegove visoko- i niskoenergetske aspekte.
