Iz oči v oči z najmočnejšo silo v vesolju

Vsa snov, iz katere je zgrajen naš svet, je sestavljena iz atomov, mikroskopskih struktur, ki jih tvorijo elektroni ter v atomska jedra povezani protoni in nevtroni. Ti so sestavljeni iz še manjših gradnikov, partonov. ki jih šele razkrivamo. Sem sodi tudi raziskava slovenskih fizikov, katere rezultati so bili objavljeni v najnovejši reviji Nature Communications.

Ime kemijskega elementa in njegove kemične lastnosti določa število protonov v jedru, z vidika jedrske fizike pa je pomembno tudi število nevtronov. Atom vodika, denimo, tvorita en proton in en elektron, medtem ko je atom kisika sestavljen iz osmih protonov, osmih nevtronov in osmih elektronov. Že več kot pol stoletja vemo, da protoni in nevtroni niso najmanjši delci snovi, temveč so sestavljeni iz še manjših gradnikov, tako imenovanih partonov.

V okviru teorije kvantne kromodinamike, s katero pojasnjujemo zgradbo protonov in nevtronov (krajše nukleonov), te poskušamo opisati s kvarki, ki jih trenutno razumemo kot najosnovnejše in nedeljive gradnike snovi, ter z delci močne sile, gluoni, ki kvarke kot nekakšno lepilo povezujejo v nukleone in s tem določajo lastnosti nukleonov. Toda kljub poznavanju osnovnih gradnikov in sil je zgradba nukleonov za zdaj še zavita v tančico skrivnosti.

Kljub dolgoletnim prizadevanjem in mnogim poskusom v okviru veljavnih teorij še vedno ne znamo dovolj natančno opisati osnovnih lastnosti nukleonov, kot sta na primer prostorska porazdelitev naboja in izvor njegovega spina.

Gluoni kakor vzmeti med kvarki

Močna sila, ki jo med kvarki posredujejo gluoni, učinkuje podobno kakor vzmet na žogici, pritrjeni na njena konca. Ko sta si blizu, vzmet ni raztegnjena in žogici ne čutita nobene sile, ko ju razmaknemo, pa se vzmet napne in elastična sila ju poskuša znova zbližati. Podobno so kvarki znotraj nukleonov skoraj prosti, ko jih poskušamo izvleči iz nukleona, pa se močna sila med njimi tako zelo poveča, da jih nukleon posrka nazaj vase.

Takšna narava močne sile je vzrok, da kvarkov in gluonov nikoli ne vidimo kot proste delce. Informacije o njih zato lahko dobimo le posredno, s študijem njihovega obnašanja znotraj nukleona in njihovega vpliva na količine, ki jih merimo med opazovanjem izbranih fizikalnih procesov. Različne jedrske reakcije so namreč občutljive za različne podrobnosti zgradbe nukleonov. Da bi to zgradbo razumeli in natančno preverili njeno teoretično ozadje, torej ne zadošča en sam poskus, pač pa moramo opraviti mnogo različnih meritev, ki vsaka iz svojega zornega kota osvetli raziskovani predmet.

Sipanje, iz katerega se rodi foton

Posebej zanimiv in aktualen je študij globoko virtualnega comptonskega sipanja, saj s tem procesom lahko dobimo informacije o dinamiki kvarkov in gluonov znotraj protonov. Poskus izvedemo tako, da na protonih sipamo visokoenergijske elektrone, ki elektromagnetno interagirajo s kvarki v protonu, v končnem stanju reakcije pa se iz protona rodi foton, ki ga skupaj s sipanim elektronom zaznamo z detektorji.

Iz meritev kotne in energijske porazdelitve zaznanih delcev, tako imenovanih sipalnih presekov, lahko izluščimo velikost in fazo izbrane kompleksne količine, amplitude, za dani proces, ki nam, podobno kot pri običajni optični holografiji, omogoči izdelavo trirazsežne slike notranje zgradbe protona. Te posnetke v posebnem koordinatnem sestavu imenujemo posplošene partonske porazdelitve, ki nam nekaj povedo o porazdelitvi osnovnih gradnikov (partonov) po protonu in njihovih hitrostih.

Neželene reakcije zastirajo pogled

Študij globoko virtualnega comptonskega sipanja je z eksperimentalnega vidika zelo zahteven. Glavna težava je zavorno sevanje, proces, pri katerem v končnem stanju prav tako izmerimo par elektron-foton, vendar se v tem primeru foton rodi iz elektrona, ne iz protona. Ta sočasni proces je zelo močna motnja in zastira pogled v reakcijo, ki bi jo radi podrobneje spoznali, torej comptonsko sipanje. K sreči lahko prispevek tega procesa natančno izračunamo, zato ga lahko z računalniškimi simulacijami odštejemo iz izmerjenih spektrov in tako vendarle izluščimo želene podatke o pravem procesu.

Sipalni presek za comptonsko sipanje sam po sebi ne omogoča rekonstrukcije trirazsežne slike nukleona. Za njeno tvorbo potrebujemo še en podatek, kompleksno fazo, ki jo določimo iz jakosti sovpliva (interference) med comptonskim sipanjem in zavornim sevanjem. Da bi lahko dovolj natančno določili tako velikost amplitude za comptonsko sipanje kot tudi interferenčni člen, potrebujemo visokoločljive meritve kotne porazdelitve delcev ob znanih lastnostih elektronskega žarka. Upoštevati moramo, da je občutljivost meritev za zgradbo nukleona ključno odvisna od energije vpadnih elektronov.

Meritev preseka smo zato izvedli v raziskovalnem središču Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) v ZDA, katerega srce je visokozmogljivi pospeševalnik elektronov CEBAF. Ta zagotavlja zvezen žarek elektronov z energijami do 12 GeV in ponuja edinstveno okolje za študij strukture nukleonov.

V eksperimentu smo žarek usmerili na vodikovo tarčo, ohlajeno na temperaturo minus 250 stopinj Celzija. Sipane delce smo zaznali z visokoločljivimi magnetnimi spektrometri, fotone pa z elektromagnetnim kalorimetrom, energijsko občutljivim detektorjem, sestavljenim iz dvesto kristalov svinčevega flourida.

Postavili novo oporno točko

Meritve so potekale že leta 2012, natančna in dolgotrajna analiza, ki je sledila, pa je pokazala nepričakovano veliko občutljivost meritev za vlogo gluonov v nukleonu. Rezultati, ki smo jih objavili v reviji Nature Communications, namreč kažejo, da je na območju, kjer bi glede na teoretične napovedi pričakovali le interakcijo elektronov s posameznimi kvarki, izmerjene sipalne preseke mogoče razložiti samo v primeru, da v teoretičnem opisu poleg te osnovne interakcije upoštevamo tudi procese, pri katerih sodelujejo gluoni.

Z našim eksperimentom smo tako postavili novo oporno točko za natančno razumevanje vloge gluonov v protonu in v okviru dosežene negotovosti potrdili trenutni teoretični opis partonske dinamike.

Obenem smo pokazali, da smo s sodobnimi poskusi dandanes zmožni sipalne preseke izmeriti tako natančno, da za zadovoljiv teoretični opis comptonskega sipanja ne zadošča več zgolj osnovni reakcijski mehanizem, temveč moramo upoštevati tudi popravke višjega reda, ki vključujejo razmeroma slabo raziskane korelacije med kvarki in gluoni.

Še podrobnejši vpogled v nukleon

Doseženi uspeh je spodbudil nove, nadaljnje meritve v sklopu raziskovalnega programa, ki ga na nedavno dograjenem pospeševalniku CEBAF začenja laboratorij Jefferson Lab in pri katerem v okviru slovenske programske skupine Struktura hadronskih sistemov na IJS in FMF sodelujeta tudi avtorja tega članka. Program, posvečen študiju tako imenovane ekskluzivne elektroprodukcije fotonov, bo omogočil še podrobnejši vpogled v zgradbo nukleona in še natančnejšo opredelitev vloge gluonov, nosilcev najmočnejše sile v vesolju.

Avtorja zapisa dr. Miha Mihovilovič in prof. dr. Simon Širca sta zaposlena na Inštitutu Jožef Stefan, Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Inštitutu za jedrsko fiziko, Univerza Johannesa Gutenberga, Mainz.