W unikalnej analizie danych eksperymentalnych fizycy jądrowi dokonali pierwszych w historii obserwacji, w jaki sposób cząsteczki lambda, tak zwana „dziwna materia”, są wytwarzane w specyficznym procesie zwanym semi-inclusive deep nieelastic scattering (SIDIS). Co więcej, dane te wskazują, że elementy budulcowe protonów, kwarków i gluonów są w stanie przynajmniej przez część czasu maszerować przez jądro atomowe w parach zwanych dikwarkami. Wyniki te pochodzą z eksperymentu przeprowadzonego w National Accelerator Facility w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych.
To wynik, który powstawał przez dziesięciolecia. Zbiór danych został pierwotnie zebrany w 2004 r. Lamiaa El Fassi, obecnie profesor nadzwyczajny fizyki na Uniwersytecie Stanowym Mississippi i główny badacz pracy, po raz pierwszy przeanalizowała te dane podczas swojej pracy dyplomowej, aby uzyskać tytuł magistra z innego tematu.
Prawie dziesięć lat po zakończeniu wstępnych badań z tymi danymi, El Fassi ponownie przejrzała zestaw danych i przeprowadziła swoją grupę przez dokładną analizę, aby uzyskać te bezprecedensowe pomiary. Zbiór danych pochodzi z eksperymentów w firmie Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), obiekcie użytkownika DOE. W eksperymencie fizycy jądrowi śledzili, co się dzieje, gdy elektrony z CEBAF rozpraszają się od docelowego jądra i sondują zamknięte kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Wyniki zostały niedawno opublikowane w Physical Review Letters.
„Badania te pomagają zbudować opowieść, analogiczną do filmu, o tym, jak uderzony kwark zamienia się w hadrony. W nowym artykule przedstawiamy pierwsze w historii obserwacje takiego badania barionu lambda w obszarach fragmentacji do przodu i do tyłu, — powiedział El Fassi.
Wchodzi jak lambda, wychodzi jak pion
Podobnie jak bardziej znane protony i neutrony, każda lambda składa się z trzech kwarków.
W przeciwieństwie do protonów i neutronów, które zawierają tylko mieszaninę górnych i dolnych kwarków, lambdy zawierają jeden kwark górny, jeden dolny i jeden dziwny. Fizycy nazwali materię zawierającą dziwne kwarki „dziwną materią”.
W tej pracy El Fassi i jej współpracownicy badali, w jaki sposób te cząstki dziwnej materii powstają w wyniku zderzeń zwykłej materii. Aby to zrobić, wystrzelili wiązkę elektronów CEBAF w różne cele, w tym węgiel, żelazo i ołów. Kiedy wysokoenergetyczny elektron z CEBAF dociera do jednego z tych celów, rozbija proton lub neutron wewnątrz jednego z jąder celu.
„Ponieważ proton lub neutron jest całkowicie rozbity, nie ma wątpliwości, że elektron oddziałuje z kwarkiem w środku” – powiedział El Fassi.
Po interakcji elektronu z kwarkiem lub kwarkami poprzez wymianę wirtualnego fotonu, „uderzony” kwark (y) zaczyna się poruszać jako swobodna cząstka w ośrodku, zwykle łącząc się z innym kwarkiem (ami), które napotyka, tworząc nową cząstkę złożoną podczas ich propagacji w jądrze. Czasami ta złożona cząstka będzie lambdą.
Ale lambda jest krótkotrwała – po utworzeniu szybko rozpadnie się na dwie inne cząstki: pion i proton lub neutron. Aby zmierzyć różne właściwości tych krótko utworzonych cząstek lambda, fizycy muszą wykryć dwie cząstki pochodne, a także wiązkę elektronów, która rozproszyła się w docelowym jądrze.
Eksperyment, w którym zebrano te dane, EG2, wykorzystywał detektor CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) w sali eksperymentalnej B Jefferson Lab. Te niedawno opublikowane wyniki, „First Measurement of ? Electroproduction off Nuclei in the Current and Target Fragmentation Regions”, są częścią współpracy CLAS, w którą zaangażowanych jest prawie 200 fizyków z całego świata.
SIEDZIEĆ
Ta praca jest pierwszą, w której zmierzono lambda przy użyciu tego procesu, który jest znany jako półinkluzywne głęboko nieelastyczne rozpraszanie, w obszarach fragmentacji do przodu i do tyłu. Użycie tej metody do badania cząstek lambda jest trudniejsze, ponieważ cząsteczka rozpada się tak szybko, że nie można jej zmierzyć bezpośrednio.
„Ta klasa pomiarów była wcześniej wykonywana tylko na protonach i na lżejszych, bardziej stabilnych cząstkach” – powiedział współautor William Brooks, profesor fizyki na Uniwersytecie Technicznym Federico Santa María i współprzewodniczący eksperymentu EG2.
Analiza była tak trudna, że ponowna analiza danych i wyodrębnienie wyników zajęło El Fassi i jej grupie kilka lat. To jej promotor, Kawtar Hafidi, zachęcił ją do kontynuowania badania lambda na podstawie tych zbiorów danych.
„Chciałbym pochwalić ciężką pracę i wytrwałość Lamiaa w poświęceniu lat swojej kariery na pracę nad tym” – powiedział Hafidi, zastępca dyrektora laboratorium ds. Nauk fizycznych i inżynierii w Argonne National Lab i współprzewodniczący eksperymentu EG2. „Bez niej ta praca nie doszłaby do skutku”.
„To nie było łatwe” – powiedział El Fassi. „To długi i czasochłonny proces, ale było warte wysiłku. Kiedy pracuje się nad czymś tak wiele lat, dobrze jest zobaczyć, jak to zostało opublikowane”.
El Fassi rozpoczęła tę analizę lambda, kiedy sama była doktorem habilitowanym, kilka lat przed objęciem stanowiska adiunkta na Mississippi State University. Po drodze kilku jej własnych postdoców w Mississippi State pomogło wyodrębnić te wyniki, w tym współautorka Taya Chetry.
„Jestem bardzo szczęśliwy i zmotywowany widząc, że ta praca została opublikowana” – powiedział Chetry, który jest obecnie doktorem habilitowanym na Florida International University.
Dwa za jeden
Godne uwagi odkrycie z tej intensywnej analizy zmienia sposób, w jaki fizycy rozumieją, w jaki sposób lambda tworzą się w wyniku zderzeń cząstek.
W podobnych badaniach, w których do badania innych cząstek wykorzystano półobejmujące głęboko nieelastyczne rozpraszanie, cząstki będące przedmiotem zainteresowania zwykle powstają po „uderzeniu” pojedynczego kwarka przez wirtualny foton wymieniony między wiązką elektronów a docelowym jądrem. Ale sygnał pozostawiony przez sondę lambda w detektorze CLAS sugeruje bardziej skomplikowaną umowę.
Analiza autorów wykazała, że podczas tworzenia lambdy wirtualny foton był pochłaniany przez część czasu przez parę kwarków, zwaną dikwarkiem, a nie tylko przez jeden. Po „uderzeniu” ten dikwark znalazł dziwny kwark i utworzył lambdę.
„Ta para kwarków sugeruje inny mechanizm produkcji i interakcji niż przypadek interakcji pojedynczego kwarku” – powiedział Hafidi.
Lepsze zrozumienie, w jaki sposób powstają różne cząstki, pomaga fizykom w ich wysiłkach na rzecz rozszyfrowania oddziaływań silnych, fundamentalnej siły, która utrzymuje cząstki zawierające kwarki razem. Dynamika tego oddziaływania jest bardzo skomplikowana, podobnie jak teoria używana do jego opisu: chromodynamika kwantowa (QCD).
Porównanie pomiarów z modelami przewidywań QCD pozwala fizykom przetestować tę teorię. Ponieważ odkrycie dikwarka różni się od bieżących przewidywań modelu, sugeruje to, że coś w modelu jest nie tak.
„Istnieje nieznany składnik, którego nie rozumiemy. Jest to niezwykle zaskakujące, ponieważ istniejąca teoria może opisać zasadniczo wszystkie inne obserwacje, ale nie tę” – powiedział Brooks. „Oznacza to, że jest coś nowego do nauczenia się, aw tej chwili nie mamy pojęcia, co to może być”.
Aby się tego dowiedzieć, będą potrzebować jeszcze więcej pomiarów.
Dane dla EG2 zostały zebrane za pomocą wiązek elektronów o energii 5,014 GeV (miliard elektronowoltów) w erze 6 GeV CEBAF. Przyszłe eksperymenty będą wykorzystywać wiązki elektronów ze zaktualizowanego CEBAF, które teraz rozciągają się do 11 GeV dla Hali Eksperymentalnej B, a także zaktualizowany detektor CLAS znany jako CLAS12, aby kontynuować badanie powstawania różnych cząstek, w tym lambda, o wyższych -elektrony energetyczne.
Zbliżający się zderzacz elektronów i jonów (EIC) w DOE Brookhaven National Laboratory zapewni również nową okazję do dalszego badania tej dziwnej struktury parowania materii i kwarków nukleonu z większą precyzją.
„Wyniki te kładą podwaliny pod nadchodzące badania w ramach nadchodzącego CLAS12 i planowanych eksperymentów EIC, w których można bardziej szczegółowo zbadać rozpraszanie dikwarków” – powiedział Chetry.
El Fassi jest również współrzecznikiem pomiarów CLAS12 propagacji kwarków i tworzenia hadronów. Kiedy dane z nowych eksperymentów będą wreszcie gotowe, fizycy porównają je z przewidywaniami QCD, aby jeszcze bardziej udoskonalić tę teorię.
„Każdy nowy pomiar, który dostarczy nowych informacji pozwalających zrozumieć dynamikę silnych oddziaływań, jest bardzo ważny” – powiedziała.