Експеримент, що тривав понад 10 років, вперше дозволив зазирнути у “ураган” частинок, що кружляють усередині субатомних частинок, відомих як нейтрони, прокладаючи шлях до розгадки таємниці в самій основі матерії.
Дані з Центрального нейтронного детектора Міністерства енергетики США, розташованого в Національній прискорювальній лабораторії Томаса Джефферсона (TJNAF), вже допомагають створювати квантову карту “двигуна” нейтрона.
“Це дуже важливий результат для вивчення нуклонів”, — зазначає Сільвія Нікколаї, директор досліджень Французького національного центру наукових досліджень.
Ядро атома можна порівняти з вуликом, наповненим ще меншими частинками, які називаються кварками, що взаємодіють через обмін глюонами. Якщо два кварки типу “вгору” зв’язані з одним “вниз”, утворюється протон. Якщо ж два кварки “вниз” і один “вгору”, утворюється нейтрон.
Опис кваркових тріо таким чином може здаватися впорядкованим, але насправді їхнє існування — це хаотична буря частинок і античастинок, які перебувають у квантовому змаганні між існуванням та неіснуванням.
Для дослідження розподілу та руху кварків фізики традиційно обстрілювали ядерні частинки електронами й спостерігали за траєкторією їхнього відбиття. Щоб спростити результати, теоретики описують одиниці кварків і глюонів, які функціонують у межах певних квантових структур, як партони.
Останні десятиліття експерименти з використанням великого спектрометра CEBAF у TJNAF розгадували загадки протонів, зокрема маси й розміру нуклонів. Але нейтрони залишалися складнішою задачею через їхні особливості.
“У стандартній конфігурації нейтрони не могли бути виявлені під такими кутами”, — пояснює Нікколаї.
У 2011 році розпочалося будівництво нового детектора у співпраці з CNRS, який був встановлений у 2017 році, а перші експериментальні результати отримані у 2019–2020 роках.
Цей експеримент також стикався з труднощами, такими як забруднення даних через випадкові протони. Лише завдяки спеціально створеному фільтру на основі машинного навчання вдалося очистити результати й застосувати їх до теоретичних моделей.
Перше дослідження, засноване на цих даних, внесло важливі обмеження в одну з найменш зрозумілих систем розподілу партонів у нейтронах, відому як генералізований партоний розподіл (GPD) E.
“Це відкриття дозволяє досліджувати структуру спіну нуклонів”, — зазначає Нікколаї.
Відповіді на загадку “кризи спіну” можуть знайти майбутні експерименти, які тепер мають потужний інструмент для порівняння поведінки нейтронів і протонів, що працюють у “двигунах” атомів.
Це дослідження опубліковане в Physical Review Letters.