Od ponad 90 lat fizycy wiedzą, że jądro atomowe składa się z protonów i neutronów. 60 lat temu sformułowano teorię, że istnieją one dzięki interakcjom kwarków spajanych gluonami. Wydawało się, że odtworzenie za pomocą samych kwarków i gluonów wszystkich właściwości jąder atomowych obserwowanych w dotychczasowych eksperymentach jądrowych nie powinno być trudne. Zaskakująco długo jednak taki obraz nie powstawał. Sztuki tej udało się jednak dokonać dopiero teraz, przy udziale fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.
Od odkrycia głównych składników jąder atomowych - protonów i neutronów - minął już blisko wiek. Początkowo nowe cząstki uznawano za niepodzielne. W latach 60. XX wieku pojawiła się jednak sugestia, że przy odpowiednio wysokich energiach protony i neutrony ujawnią swoją strukturę wewnętrzną: obecność kwarków ustawicznie sklejających się gluonami. Wkrótce potem istnienie kwarków zostało potwierdzone doświadczalnie. Mimo upływu wielu dziesięcioleci nikt nie potrafił jednak z pomocą modeli kwarkowo-gluonowych odtworzyć wyników eksperymentów jądrowych przy niskich energiach, gdy w jądrach atomowych widać tylko protony i neutrony.
Wieloletni impas udało się przełamać dopiero teraz, w artykule opublikowanym na łamach czasopisma "Physical Review Letters". Jego głównymi autorami są naukowcy z międzynarodowej grupy badawczej nCTEQ zajmujący się rozkładami kwarkowo-gluonowymi, m.in. z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. "Do tej pory istniały dwa równoległe opisy jąder atomowych: jeden bazujący na protonach i neutronach, które możemy zobaczyć przy niskich energiach, oraz drugi, dla wysokich energii, oparty na kwarkach i gluonach. W naszej pracy udało się nam połączyć te dwa dotychczas rozdzielone światy" - mówi dr hab. Aleksander Kusina, jeden z trzech teoretyków z IFJ PAN uczestniczących w badaniach.
Człowiek widzi swoje otoczenie, ponieważ z pomocą wzroku rejestruje rozproszone fotony, które wcześniej oddziaływały z atomami i cząsteczkami tworzącymi obiekty naszego otoczenia. Fizycy zdobywają wiedzę o jądrach atomowych w... nieco podobny sposób: ostrzeliwują je mniejszymi cząstkami i skrupulatnie analizują rezultaty zderzeń. Z przyczyn praktycznych używa się jednak nie elektrycznie obojętnych fotonów, lecz cząstek elementarnych niosących ładunek, zwykle elektronów.
Z eksperymentów wynika wówczas, że gdy elektrony mają stosunkowo niskie energie, jądra atomowe zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów, czyli protonów i neutronów, podczas gdy przy wysokich energiach elektronów, wewnątrz jąder atomowych widoczne stają się tzw. partony, czyli kwarki i gluony. Rezultaty zderzania jąder atomowych z elektronami odtwarzano dość dobrze, do opisu zderzeń niskoenergetycznych używając modeli zakładających istnienie samych nukleonów, a do zderzeń wysokoenergetycznych - samych partonów. Jednak do tej pory te dwa opisy nie dawały się połączyć w spójny obraz.
W swojej pracy fizycy z IFJ PAN wykorzystali dane dotyczące zderzeń wysokoenergetycznych, w tym zebrane za pomocą detektorów Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w ośrodku CERN w Genewie. Głównym celem było badanie struktury partonowej jąder atomowych przy wysokich energiach, obecnie opisywanej przez funkcje rozkładu partonów PDF. Funkcje te są używane do odwzorowania, jak kwarki i gluony rozkładają się wewnątrz protonów i neutronów oraz w całym jądrze atomowym. Dysponując funkcjami PDF dla jądra atomowego można wyznaczać parametry mierzalne doświadczalnie, takie jak prawdopodobieństwo powstania określonej cząstki w zderzeniu elektronu lub protonu z jądrem.
Od strony teoretycznej istotą innowacji zaproponowanej w omawianym artykule było umiejętne rozbudowanie funkcji PDF, inspirowane modelami jądrowymi służącymi do opisu zderzeń niskoenergetycznych, gdzie zakładano, że protony i neutrony łączą się w silnie oddziałujące pary nukleonów: proton-neutron, proton-proton i neutron-neutron. Nowatorskie podejście pozwoliło badaczom wyznaczyć dla 18 badanych jąder atomowych funkcje rozkładu partonów w jądrach atomowych, rozkłady partonów w skorelowanych parach nukleonów, a nawet liczby takich skorelowanych par. Rezultaty potwierdziły obserwację znaną z eksperymentów niskoenergetycznych, zgodnie z którą większość skorelowanych par to pary proton-neutron (wynik ten jest szczególnie interesujący dla ciężkich jąder, np. złota czy ołowiu).
Inną zaletą podejścia zaproponowanego w artykule jest lepszy opis danych doświadczalnych niż w przypadku metod tradycyjnych, standarowo stosowanych do wyznaczania rozkładów partonowych PDF w jądrach atomowych. "W naszym modelu wprowadziliśmy modyfikacje symulujące zjawisko łączenia się pewnych nukleonów w pary. Uznaliśmy bowiem, że efekt może być istotny także na poziomie partonowym. Co ciekawe, pozwoliło to na koncepcyjne uproszczenie opisu teoretycznego, które w przyszłości powinno umożliwić nam bardziej precyzyjne badanie rozkładów partonowych dla poszczególnych jąder atomowych" - wyjaśnia dr Kusina.
Zgodność przewidywań teoretycznych z danymi eksperymentalnymi oznacza, że za pomocą modelu partonowego i danych z obszaru wysokich energii po raz pierwszy udało się odtworzyć zachowania jąder atomowych dotychczas tłumaczone wyłącznie za pomocą opisu nukleonowego i danych ze zderzeń o niskich energiach. Wyniki opisanych badań otwierają nowe perspektywy dla lepszego zrozumienia struktury jądra atomowego, unifikującego jego aspekty wysoko- i niskoenergetyczne.
Prace fizyków z IFJ PAN nad odtworzeniem struktury nukleonowej z użyciem modelu partonowego zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki.
Na podstawie materiałów prasowych IFJ PAN.
