تعیین تجربی پروتون گلوونیک عوامل شکل گرانشی ممکن است مقداری از جرم پنهان پروتون را آشکار کرده باشند
نیوپورت نیوز، ویرجینیا – فیزیکدانان هسته ای ممکن است سرانجام تعیین کرده باشند که بیشتر جرم پروتون در کجا قرار دارد. آزمایشی که اخیراً در شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده انجام شد، شعاع جرم پروتون را نشان داد که توسط نیروی قوی هنگام چسباندن بلوک های سازنده پروتون، کوارک ها، ایجاد می شود. نتیجه شد به تازگی منتشر شده در طبیعت.
یکی از بزرگترین اسرار پروتون منشا جرم آن است. معلوم شد که جرم اندازه‌گیری شده پروتون فقط از بلوک‌های ساختمان فیزیکی آن، یعنی سه کوارک به اصطلاح ظرفیتی آن ناشی نمی‌شود.
سیلوستر جوستن، یکی از نویسندگان آزمایش، فیزیکدان تجربی در آزمایشگاه ملی آرگون DOE، توضیح داد: «اگر توده‌های مدل استاندارد کوارک‌های پروتون را جمع کنید، تنها کسر کوچکی از جرم پروتون به دست می‌آید.
در طول چند دهه گذشته، فیزیکدانان هسته ای به طور آزمایشی با هم ترکیب کرده اند که جرم پروتون از چندین منبع می آید. ابتدا مقداری جرم از جرم کوارک های خود و مقداری بیشتر از حرکت آنها بدست می آورد. سپس از نیروی انرژی قوی که این کوارک ها را به یکدیگر متصل می کند، جرم به دست می آورد، این نیرو به صورت «گلئون» ظاهر می شود. در نهایت، از برهمکنش های دینامیکی کوارک های پروتون و گلوئون ها جرم به دست می آورد.
این اندازه‌گیری جدید ممکن است در نهایت مقداری بر جرمی که توسط گلوئون‌های پروتون ایجاد می‌شود، با مشخص کردن محل ماده تولید شده توسط آن گلوئون‌ها روشن کرده باشد. شعاع این هسته ماده در مرکز پروتون قرار دارد. همچنین به نظر می رسد که نتیجه نشان می دهد که این هسته دارای اندازه متفاوتی نسبت به شعاع بار پروتون است که به خوبی اندازه گیری شده است، کمیتی که اغلب به عنوان نماینده ای برای اندازه پروتون استفاده می شود.
مارک جونز، یکی از رهبران آزمایش، رهبر سالن های A&C در آزمایشگاه جفرسون، گفت: «شعاع این ساختار جرمی کوچکتر از شعاع بار است، و بنابراین به ما حس سلسله مراتب ساختار جرم در مقابل بار نوکلئون را می دهد.
به گفته زین الدین مزیانی، یکی از نویسندگان آزمایش، دانشمند آزمایشگاه ملی آرگون DOE، این نتیجه واقعاً غافلگیرکننده بود.
“چیزی که ما پیدا کردیم چیزی است که واقعاً انتظار نداشتیم به این شکل ظاهر شود. مزیانی گفت: هدف اولیه این آزمایش جستجوی پنتاکوارک بود که توسط محققان سرن گزارش شد.
این آزمایش در اتاق آزمایش C در تأسیسات پرتو الکترونی پیوسته آزمایشگاه جفرسون، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE انجام شد. در این آزمایش، الکترون های پرانرژی 10.6 GeV (میلیارد الکترون ولت) از شتاب دهنده CEBAF به یک بلوک کوچک مسی فرستاده شد. الکترون‌ها توسط بلوک کند شده یا منحرف شده‌اند و باعث می‌شوند که bremsstrahlung را به عنوان فوتون ساطع کنند. سپس این پرتو فوتون به پروتون های درون هدفی از هیدروژن مایع برخورد کرد. آشکارسازها بقایای این برهمکنش ها مانند الکترون ها و پوزیترون ها را اندازه گیری می کنند.
آزمایش‌گران به آن دسته از فعل و انفعالاتی که ذرات J/Ψ را در میان هسته‌های پروتون هیدروژن تولید می‌کنند، علاقه‌مند هستند. J/Ψ یک مزون کوتاه مدت است که از کوارک های جذاب/ضد جذابیت تشکیل شده است. پس از تشکیل، به سرعت به یک جفت الکترون/پوزیترون تجزیه می شود.
از میان میلیاردها برهمکنش، آزمایش‌کنندگان حدود 2000 ذره J/Ψ را در اندازه‌گیری مقطع این برهم‌کنش‌ها یافتند که جفت‌های متقابل الکترون/پوزیترون را تأیید می‌کنند.
«این شبیه کاری است که ما در تمام طول این مدت انجام می‌دادیم. جونز گفت: “با انجام پراکندگی الاستیک الکترون روی پروتون، توزیع بار پروتون را بدست می آوریم.” در این مورد، ما یک تولید نوری خارق‌العاده از J/Ψ از پروتون انجام دادیم و به جای توزیع بار، توزیع گلوئون را دریافت کردیم.»
سپس همکاران توانستند این اندازه‌گیری‌های مقطع را به مدل‌های نظری متصل کنند که فاکتورهای شکل گرانشی گلوئون پروتون را توصیف می‌کنند. فاکتورهای شکل گلوئون خواص مکانیکی پروتون مانند جرم و فشار.
دو کمیت وجود داشت که به‌عنوان فاکتورهای شکل گرانشی شناخته می‌شدند که به دلیل دسترسی به این دو مدل، توانستیم آنها را استخراج کنیم: مدل توزیع پارتون تعمیم‌یافته و مدل کرومودینامیک کوانتومی هولوگرافیک (QCD). مزیانی افزود و نتایج هر یک از این مدل ها را با محاسبات QCD شبکه مقایسه کردیم.
از دو ترکیب مختلف از این کمیت‌ها، آزمایش‌کنندگان شعاع جرم گلوئونی فوق‌الذکر را که توسط گلوئون‌های گراویتون‌مانند غالب است، و همچنین شعاع بزرگ‌تری از گلوئون‌های اسکالر جذاب که فراتر از کوارک‌های متحرک گسترش یافته و محدود می‌شوند، تعیین کردند.
جوستن گفت: «یکی از گیج‌کننده‌ترین یافته‌های آزمایش ما این است که در یک رویکرد به مدل نظری، داده‌های ما به توزیع گلوئون اسکالر اشاره می‌کند که بسیار فراتر از شعاع پروتون الکترومغناطیسی است. “برای درک کامل این مشاهدات جدید و پیامدهای آنها برای درک ما از حبس، به نسل جدیدی از آزمایش‌های J/Ψ با دقت بالا نیاز داریم.”
یکی از راه‌های بررسی بیشتر این نتیجه جدید وسوسه‌انگیز، برنامه آزمایشی دستگاه شیر برقی با شدت بالا به نام SoLID است. برنامه SoLID هنوز در مرحله پیشنهاد است. در صورت تایید برای ادامه، آزمایش‌های انجام‌شده با ابزار SoLID بینش جدیدی در مورد تولید J/Ψ با آشکارساز SoLID ارائه می‌دهد. در واقع می تواند اندازه گیری های بسیار دقیقی را در این منطقه انجام دهد. یکی از ستون‌های اصلی این برنامه تولید J/Ψ است، همراه با اندازه‌گیری توزیع تکانه عرضی و اندازه‌گیری پراکندگی غیرالاستیک عمیق شکستن برابری».
جونز، جوستن و مزیانی نشان دهنده یک همکاری تجربی هستند که شامل بیش از 50 فیزیکدان هسته ای از 10 موسسه است. سخنرانان همچنین می خواهند بورکو دوران، نویسنده اصلی و همکار فوق دکترا در دانشگاه تنسی، ناکسویل را برجسته کنند. دوراند این آزمایش را در دکترای خود ارائه کرد. پایان نامه خود را به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه تمپل، و او نیروی محرکه در تجزیه و تحلیل داده ها بود.
این همکاری این آزمایش را برای حدود 30 روز در فوریه تا مارس 2019 انجام داد. آنها موافق هستند که این نتیجه جدید جالب است و می گویند همه آنها مشتاقانه منتظر نتایج آینده هستند که اجمالی اجمالی فیزیک جدید را که به آن اشاره می کند روشن کند.
نکته اصلی برای من این است که در حال حاضر هیجان وجود دارد. آیا می توانیم راهی برای تایید آنچه می بینیم پیدا کنیم؟ آیا این اطلاعات جدید در مورد عکس می چسبد؟» مززیانی گفت. “اما برای من واقعاً بسیار هیجان انگیز است. زیرا اگر اکنون به یک پروتون فکر کنم، اکنون اطلاعات بیشتری نسبت به قبل در مورد آن داریم.
مخاطب:
کندیس کارتر، بخش ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، [email protected]
کریستوفر جی. کرامر، رئیس روابط رسانه ای در آزمایشگاه ملی آرگون، [email protected]
