Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να «κοιτάξουν» μέσα στα δευτερόνια -τους πυρήνες δευτέριου- έτσι ώστε να κατανοήσουν καλύτερα την «κόλλα» που συγκρατεί ενωμένα τα δομικά στοιχεία της ύλης. Τα νέα αποτελέσματα προέρχονται από συγκρούσεις φωτονίων (σωματίδια φωτός) με δευτερόνια, δηλαδή πυρήνες που αποτελούνται από ένα μόνο πρωτόνιο συνδεδεμένο με ένα νετρόνιο. Σε αυτές τις συγκρούσεις, τα φωτόνια -όπως οι ακτίνες Χ στη γνωστή σε όλους μας ακτινογραφία- μας βοηθούν να ρίξουμε μια πρώτη ματιά στον τρόπο που είναι διατεταγμένα μέσα στο δευτερόνιο τα σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια. Επίσης, οι συγκρούσεις αυτές έχουν την δυνατότητα να διασπάσουν τα δευτερόνια, δίνοντας έτσι πληροφορίες για το τι συγκρατεί το πρωτόνιο και το νετρόνιο μαζί.
Μέσω της μελέτης αυτών των απλών πυρήνων, των δευτερόνιων, οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα τους πιο πολύπλοκoυς ατομικούς πυρήνες· αυτούς που ουσιαστικά σχηματίζουν όλη την ορατή ύλη στο σύμπαν. Οι έρευνες σχετικά με τα δευτερόνια βοηθούν να εξηγηθεί το πώς αναδύονται οι πυρήνες, μέσα από τα κουάρκ και τα γκλουόνια, και το πώς δημιουργούνται δυναμικά οι μάζες των πυρήνων από τα γκλουόνια. Τα δευτερόνια παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας στο εσωτερικό του Ήλιου, η οποία ξεκινά με δύο πρωτόνια να συντήκονται σε ένα δευτερόνιο. Έτσι, η μελέτη δευτερονίων μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τις αντιδράσεις σύντηξης, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε τεχνικές αξιοποίησης της ενέργειας από σύντηξη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη Γη.
Credit: Brookhaven National Laboratory
Σε αυτήν την μελέτη, οι επιστήμονες εξέτασαν ήδη υπάρχοντα δεδομένα από συγκρούσεις δευτερονίου-χρυσού, του επιταχυντή Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Στον RHIC, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν φωτόνια που περιβάλλουν ταχέως κινούμενα ιόντα χρυσού, για να εξετάσουν τον ρόλο των γκλουονίων. Μελετώντας τη δυναμική των γκλουονίων στο δευτερόνιο -τον απλούστερο ατομικό πυρήνα με νετρόνιο- οι επιστήμονες εμβαθύνουν στο πως μεταβάλλεται η κατανομή και η συμπεριφορά των γκλουονίων (ως σωματίδια-φορείς δυνάμεων) όσο οι πυρήνες γίνονται πιο περίπλοκοι.
Για τις συγκρούσεις του RHIC που μελετήθηκαν σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον ανιχνευτή STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) για να παρακολουθήσουν πόση ορμή μεταφέρθηκε από τα γκλουόνια που βρίσκονταν στο δευτερόνιο, στα σωματίδια που δημιουργήθηκαν από τις αλληλεπιδράσεις. Με δεδομένο πως αυτή η μεταφορά ορμής σχετίζεται με το πού βρίσκονται τα γκλουόνια μέσα στον πυρήνα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τα δεδομένα για να χαρτογραφήσουν την κατανομή γκλουονίων στο δευτερόνιο. Επιπρόσθετα, κάθε αλληλεπίδραση φωτονίου-γλουονίου μπορεί επίσης να διασπάσει το δευτερόνιο. Η ομάδα του STAR παρακολούθησε “νετρόνια θεατές” (spectator neutrons) δηλαδή νετρόνια που προήλθαν από αυτή τη διάσπαση χωρίς όμως να έχουν συμμετάσχει στην αλληλεπίδραση, για να μάθει περισσότερα για το πώς τα γκλουόνια συγκρατούν αυτούς τους πυρήνες μαζί.
Η κατανόηση του ρόλου των γκλουονίων στην πυρηνική ύλη θα αποτελέσει ένα από τα κύρια πεδία μελέτης για το Electron-Ion Collider (EIC), μία νέα εγκατάσταση που βρίσκεται στο στάδιο σχεδιασμού στο Brookhaven National Laboratory. Το EIC θα χρησιμοποιήσει φωτόνια που παράγονται από ηλεκτρόνια για να ανιχνεύσει τις κατανομές γκλουονίων μέσα στα πρωτόνια και τους πυρήνες και για να μελετήσει τη δύναμη που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί ώστε αυτά να σχηματίζουν πυρήνες.
Παραπομπές:
M. S. Abdallah et al, Probing the Gluonic Structure of the Deuteron with J/ψ Photoproduction in d+Au Ultraperipheral Collisions, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.122303
Πηγή: https://phys.org/
