Ekstremalna tomografia ujawni nowe szczegóły wnętrza protonu

Data dodania: czwartek, 6 grudnia 2012, autor: ncbj.gov.pl

Fizycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku i École Polytechnique przeprowadzili analizę teoretyczną jednego z przypadków zderzeń protonu z elektronem. Zaprojektowany dzięki niej eksperyment już wkrótce dostarczy nowe, wyjątkowo dokładne informacje o przestrzennej strukturze wnętrza protonu.

Jak wygląda wnętrze protonu? Niedługo powinniśmy je zobaczyć z dotychczas niespotykaną rozdzielczością. Przeprowadzenie ekstremalnie precyzyjnej tomografii protonu stało się możliwe dzięki fizykom z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i École Polytechnique (EP). Ich prace teoretyczne pozwoliły zaprojektować doświadczenie dla akceleratora w amerykańskim ośrodku Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Eksperyment, w wyniku którego naukowcy spodziewają się otrzymać obrazy przekrojów protonu, rusza już wkrótce.

W popularnym ujęciu cząstki tworzące jądra atomowe, czyli protony i neutrony, składają się z trzech kwarków nazywanych walencyjnymi. Proton tworzą dwa kwarki górne i jeden dolny, neutron – dwa dolne i jeden górny. Kwarki są ze sobą związane za pomocą silnych oddziaływań jądrowych.

Oddziaływania silne między kwarkami są przenoszone za pomocą cząstek: gluonów. Opisująca je teoria, chromodynamika kwantowa, mówi, że pole gluonowe we wnętrzu protonu musi być bardzo silne. - Pole gluonowe jest tam tak potężne, że spontanicznie kreuje pary kwark-antykwark, które niemal natychmiast anihilują. Wnętrze protonu jest więc wypełnione gotującym się morzem wirtualnych kwarków i gluonów – wyjaśnia dr Jakub Wagner (NCBJ), który wraz z prof. Lechem Szymanowskim (NCBJ) oraz Bernardem Pire (Centre de Physique Théorique, École Polytechnique) zajmuje się teorią opisującą nowy eksperyment.

Kwarkowo-gluonowa kipiel wewnątrz protonu wydaje się abstrakcją. Efekty jej istnienia są jednak wszechobecne. Za masę cząstek elementarnych odpowiada słynny mechanizm Higgsa. W atomach nadaje on masę elektronom i kwarkom. Ponieważ elektrony mają masę niemal 2000 razy mniejszą od masy protonu, a jądra większości pierwiastków zawierają od kilku do kilkuset protonów i neutronów, niemal cała masa atomu jest skoncentrowana właśnie w jądrze. - Rzecz w tym, że gdybyśmy zsumowali masy trzech kwarków walencyjnych w każdym protonie, otrzymalibyśmy mniej niż 5% jego rzeczywistej masy. Cała reszta to efekt istnienia kwarkowo-gluonowego morza w protonach i neutronach - mówi dr Wagner.

Wewnętrzna budowa protonu interesuje fizyków także z innych powodów. Najważniejszy dotyczy zagadki pochodzenia spinu protonu. Spin to cecha cząstek kwantowych związana z obrotami. Protony i neutrony mają spin 1/2, który można łatwo otrzymać sumując spiny trzech kwarków walencyjnych. W poprawnych obliczeniach należałoby jednak uwzględnić jeszcze spiny gotującego się morza gluonów i wirtualnych kwarków. Obliczenia stają się wtedy tak skomplikowane, że do dziś nie udało się ich przeprowadzić (pochodzenie spinu protonu bada się m.in. w eksperymencie COMPASS przy akceleratorze SPS w CERN-ie, w którym uczestniczą fizycy z NCBJ).

Doświadczalne obserwacje wnętrza protonu rozpoczęto w późnych latach 60. XX wieku, dzięki badaniom zderzeń elektronu z protonem, znanych jako głęboko nieelastyczne rozpraszanie. W takich zderzeniach proton i elektron oddziałują tylko elektromagnetycznie, wymieniając foton.

Podczas głęboko nieelastycznego rozpraszania rejestrowano cechy elektronu przed i po zderzeniu. Na ich podstawie wnioskowano m.in. o pędach cząstek wzdłuż kierunku zderzenia. Innymi słowy, doświadczenie pozwalało zaobserwować obecność kwarków i gluonów oraz określić ich pędy wzdłuż kierunku ruchu. Niestety, nie dostarczało informacji o rozmieszczeniu cząstek w kierunkach prostopadłych do kierunku głównej osi zderzenia – czyli pełnej informacji o tym, jak układają się kwarki i gluony w protonie.

W późniejszych eksperymentach fizycy interesowali się innymi przypadkami zderzeń elektronów z protonami – takimi, które prowadziły do emisji zwykłego fotonu. Mierzono wtedy właściwości obu zderzających się cząstek (przed i po oddziaływaniu) oraz wyemitowanego fotonu. Danych było wystarczająco dużo, by odtworzyć rozkłady kwarków w protonie w danym zderzeniu. Otrzymywano w ten sposób obrazy w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu cząstki, będące czymś w rodzaju tomograficznego przekroju protonu.

- Właściwy obraz wnętrza protonu buduje się na podstawie obserwacji wielu zderzeń. Dlatego ma on charakter statystyczny – zaznacza dr Wagner. Podobny co do zasady obraz można byłoby otrzymać fotografując z Księżyca rozmieszczenie satelitów wokół Ziemi. Na pojedynczym zdjęciu zobaczylibyśmy wiele satelitów, ale trudno byłoby dopatrzyć się sensu w ich rozmieszczeniu. Gdybyśmy jednak zrobili wiele zdjęć i złożyli je, zobaczylibyśmy „powłokę” odpowiadającą niskim orbitom wokółziemskim, gdzie krąży dość dużo satelitów, dalej na zewnątrz obszary niemal puste, a najdalej znajdowała się kolejna powłoka z satelitami geostacjonarnymi.

Naukowcy z ośrodka w Świerku od lat pracują nad opisem teoretycznym nieco innego, stosunkowo rzadkiego przypadku zderzeń elektronu z protonem. Proces przebiega podobnie do omówionych – elektron oddziałuje z protonem wymieniając foton – lecz w jego trakcie powstaje nowa cząstka: foton o wysokiej wirtualności. Właściwości takiego fotonu powodują, że musi się on szybko rozpaść na jedną parę leptonów, najczęściej elektron i pozyton lub mion i antymion. Pomiary właściwości wszystkich cząstek powstających w takim zderzeniu pozwalają odtworzyć strukturę wnętrza protonu z większą niż dotychczasowa dokładnością.

Prace teoretyków z NCBJ i EP dostarczają przewidywań, które będą weryfikowane w nowo zaprojektowanym eksperymencie. Zostanie on wkrótce przeprowadzony w Jefferson Laboratory. Ten amerykański ośrodek należy do największych laboratoriów zajmujących się badaniami z pogranicza jądra atomowego i cząstek elementarnych. - Przygotowujemy również przewidywania dla eksperymentów w innych ośrodkach, m.in. dla akceleratora w Brookhaven. Być może jedno z doświadczeń uda się przeprowadzić także z udziałem LHC – dodaje dr Wagner.

Doświadczenia w Jefferson Laboratory rozpoczną się wkrótce po zmodernizowaniu akceleratora. Czy dadzą one odpowiedź na pytanie, jaką część spinu protonu stanowi orbitalny moment pędu kwarków i gluonów? Odpowiedź poznamy prawdopodobnie już za dwa lata.

Prace teoretyczne sfinansowano dzięki grantom Narodowego Centrum Nauki i polsko-francuskiego programowi współpracy POLONIUM.

Źródło: © Narodowe Centrum Badań Jądrowych