Το πρωτόνιο είναι ένα σύνθετο σωματίδιο που αποτελείται από θεμελιώδεις δομικές μονάδες· κουάρκ και γκλουόνια. Η δομή του πρωτονίου, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών φορτίων και των ρευμάτων του, καθορίζεται από αυτά τα συστατικά και τις αλληλεπιδράσεις τους. Όταν η δομή αυτή εκτεθεί σε εξωτερικά ηλεκτρικά και μαγνητικά (ΗM) πεδία, παραμορφώνεται· ένα φαινόμενο γνωστό ως πολωσιμότητα (polarizability), η οποία αποτελεί μέτρο της ακαμψίας του πρωτονίου έναντι της παραμόρφωσης που προκαλούν τα πεδία ΗΜ. Μετρώντας την ΗΜ πολωσιμότητα, οι επιστήμονες μαθαίνουν για την εσωτερική δομή του πρωτονίου.
Αυτή η γνώση βοηθά στην επιβεβαίωση της επιστημονικής κατανόησης για το πώς σχηματίζονται τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια), συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με τις θεωρητικές περιγραφές της σκέδασης ακτίνων γάμμα από νουκλεόνια. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη διαδικασία σκέδαση Compton από νουκλεόνιο (nucleon Compton scattering).
Όταν οι φυσικοί μελετούν το πρωτόνιο σε αποστάσεις και κλίμακες όπου κυριαρχούν οι αποκρίσεις ΗΜ, μπορούν να προσδιορίσουν τις τιμές της ΗΜ πολωσιμότητας με υψηλή ακρίβεια. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούν το θεωρητικό πλαίσιο των Effective Field Theories (EFTs). Οι EFTs υπόσχονται να ταιριάξουν την περιγραφή της δομής των νουκλεονίων σε χαμηλές ενέργειες με την τρέχουσα θεωρία της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Σε αυτή την έρευνα, οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν τις EFT χρησιμοποιώντας σκέδαση Compton από πρωτόνιο. Αυτή η προσέγγιση επικύρωσε επίσης το πλαίσιο και τη μεθοδολογία που διέπουν τις EFTs.
Credit: Mohammad Ahmed, North Carolina Central University and Triangle Universities Nuclear Laboratory
Η σκέδαση Compton από πρωτόνιο, αφορά την διαδικασία σκέδασης πολωμένων (κυκλικά ή γραμμικά) ακτίνων γάμμα από έναν στόχο υδρογόνου (στην περίπτωση αυτή, έναν υγρό στόχο) και στη συνέχεια την μέτρηση της γωνιακής κατανομής των σκεδαζόμενων ακτίνων. Οι υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα φέρουν πεδία ΗΜ αρκετά ισχυρά, ώστε η απόκριση των φορτίων και των ρευμάτων του νουκλεόνιου να γίνεται σημαντική.
Σε αυτή τη νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν νέες μετρήσεις της σκέδασης Compton από πρωτόνιο στο “High Intensity Gamma Ray Source” (HIGS) του “Triangle Universities Nuclear Laboratory”. Η εργασία παρέχει μια νέα πειραματική προσέγγιση για τη σκέδαση Compton από πρωτόνιο σε χαμηλές ενέργειες, χρησιμοποιώντας πολωμένες ακτίνες γάμμα. Οι μετρήσεις που έγιναν επιβεβαιώνουν τις θεωρίες που συνδέουν την περιγραφή των χαμηλής-ενέργειας νουκλεονίων με την κβαντική χρωμοδυναμική. Έτσι, η μελέτη καταδεικνύει επίσης την ανάγκη για νέες μετρήσεις υψηλής ακρίβειας στο HIGS, ώστε να βελτιωθεί η ακρίβεια στον προσδιορισμό της πολωσιμότητας των πρωτονίων και των νετρονίων.
Παραπομπές: X. Li et al, Proton Compton Scattering from Linearly Polarized Gamma Rays, Physical Review Letters (2022).
Πηγή: https://phys.org/
