En ny mätning vid CERN:s Large Hadron Collider ger forskare en ovanligt detaljerad bild av hur gluoner är organiserade inuti atomkärnor.
Resultaten från ALICE-experimentet visar ett beteende som inte fullt ut kan förklaras med den etablerade modellen för så kallad nuclear shadowing. I stället stämmer observationerna bättre överens med ett fenomen som kallas gluon saturation, där gluoner blir så tätt packade att de börjar påverka varandra.
Forskarna kunde dessutom studera strukturer på omkring 0,2 femtometer – ungefär en fjärdedel av storleken på en proton.
Gluoner håller samman materien
Protoner och neutroner består av kvarkar, men kvarkarna hålls samman av gluoner genom den starka kärnkraften.
Gluoner spelar därför en fundamental roll för den materia vi ser omkring oss.
University of Kansas-fysikern Daniel Tapia Takaki, som haft en ledande roll i studien, påpekar att nästan all massa hos den synliga materien i universum i slutändan kommer från energin hos gluoner och den starka kraft som binder samman kvarkarna.
Att förstå hur gluoner organiserar sig inuti protoner, neutroner och hela atomkärnor är därför en central fråga inom modern kärnfysik.
Blyatomkärnorna behövde inte ens kollidera
Experimentet använde ett ovanligt sätt att undersöka atomkärnornas inre.
Forskarna analyserade data från LHC:s Run 2 där blyatomkärnor passerade mycket nära varandra utan att faktiskt kollidera.
När de positivt laddade kärnorna rör sig med extremt hög hastighet omges de av mycket kraftiga elektromagnetiska fält. Dessa kan beskrivas som strömmar av högenergetiska fotoner.
En sådan foton kan träffa den andra atomkärnan och tillfälligt skapa en partikel som kallas J/ψ.
Hur många J/ψ-partiklar som bildas och hur de rör sig kan sedan användas för att undersöka gluonerna inne i kärnan.
Fungerar som ett mikroskop för atomkärnan
Forskarna använde specifikt en process som kallas inkohärent J/ψ-fotonukleär produktion.
Fördelen är att metoden är känslig för lokala variationer i tätheten av gluoner.
Traditionella mätningar kan ge en mer genomsnittlig bild av hela atomkärnan. Den nya metoden gör det i stället möjligt att studera hur gluonerna varierar mellan olika mycket små områden.
Genom att förändra rörelsemängdsöverföringen kunde forskarna i praktiken ändra upplösningen på sitt ”mikroskop”.
De undersökte skalor på:
| Upplösning | Vad forskarna kunde studera |
|---|---|
| 0,6 femtometer | Små områden inne i kärnan |
| 0,3 femtometer | Ännu finare gluonstrukturer |
| 0,2 femtometer | Strukturer omkring 1/4 av en proton |
En femtometer är en miljondels miljarddels meter.
Om atomkärnan hypotetiskt förstoras till storleken av en fotbollsstadion skulle den högsta upplösningen motsvara att kunna urskilja detaljer som bara är några meter stora på planen.
J/ψ-produktionen minskade oväntat
Forskarna analyserade foton–kärninteraktioner över ett stort energiområde, från 20 till 633 miljarder elektronvolt.
När de nådde de minsta rumsliga skalorna upptäckte de något intressant.
Produktionen av J/ψ-partiklar var tydligt undertryckt.
Resultatet hade en statistisk signifikans på ungefär tre standardavvikelser.
Det är tillräckligt för att resultatet ska vara intressant och svårt att avfärda som en slumpmässig variation, men inte den fem-sigma-nivå som normalt krävs inom partikelfysiken för att tala om en definitiv upptäckt.
Utmanar modellen om ”nuclear shadowing”
Tidigare observationer har kunnat beskrivas relativt väl med ett fenomen som kallas nuclear shadowing.
Förenklat innebär det att gluoner från olika delar av en atomkärna delvis överlappar varandra.
Takaki jämför det med flera lager moln framför solen: lagren skymmer varandra och minskar sannolikheten för vissa processer.
Men de nya mätningarna visar att denna mekanism inte ensam verkar kunna förklara vad ALICE ser på de allra minsta skalorna.
Gluonerna kan börja påverka varandra
Ett alternativ är gluon saturation, gluonmättnad.
Vid mycket höga energier kan mängden gluoner inne i en kärna bli extremt stor.
Till slut blir de så tätt packade att de inte längre kan behandlas som relativt oberoende partiklar. De börjar interagera starkt med varandra och begränsar därmed hur snabbt gluondensiteten kan fortsätta öka.
Fenomenet följer av teorin för den starka kärnkraften, kvantkromodynamik (QCD).
De nya ALICE-resultaten är förenliga med detta scenario.
Forskare har tidigare föreslagit ”hot spots”
Takaki har tidigare arbetat med teoretiska modeller där gluoner inte är jämnt fördelade över kärnan.
I stället kan det finnas lokala områden med särskilt hög gluondensitet, ibland kallade hot spots.
I modellerna förändras dessa strukturer dessutom när kollisionsenergin ökar.
Den nya mätningen är särskilt värdefull eftersom forskarna samtidigt kan undersöka både interaktionsenergin och den rumsliga skalan.
Det ger betydligt bättre möjligheter att skilja mellan konkurrerande modeller för vad som faktiskt händer inne i kärnan.
En mer detaljerad bild av materiens inre
Resultatet innebär alltså inte att forskarna definitivt har bevisat gluonmättnad.
Men för första gången har ALICE genomfört en multidimensionell mätning av inkohärent J/ψ-produktion som funktion av både interaktionsenergi och rörelsemängdsöverföring. Det gör det möjligt att experimentellt skilja modeller som tidigare kunnat ge liknande förutsägelser.
Och på de minsta skalorna börjar den traditionella förklaringen få problem.
Om framtida mätningar stärker resultatet kan det ge fysiker en betydligt bättre förståelse för hur gluoner beter sig när deras täthet blir extrem – och därmed av den starka kärnkraft som i slutändan ligger bakom nästan all massa och struktur hos den synliga materien omkring oss.
Studien är publicerad i Physical Review Letters under titeln “Evidence for J/ψ Suppression in Incoherent Photonuclear Production”.