The Jefferson Lab Hall Una colaboración, en un experimento dirigido por investigadores de la Faculté des Sciences de Monastir en Túnez, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay en Francia y Old Dominion University en los Estados Unidos, ha recopilado recientemente las primeras observaciones experimentales de la dispersión de Compton profundamente virtual (DVCS) en neutrones. Su experimento cuyos resultados fueron publicados en Física de la naturaleza , fue motivado por distribuciones de partones generalizados (GPD), un marco teórico desarrollado recientemente que describe la dinámica interna del nucleón (protón o neutrón) en términos de quarks y gluones. DVCS es el proceso más simple que involucra GPD. Consiste en la dispersión de un electrón de un nucleón y la emisión de un fotón de alta energía mientras el nucleón permanece intacto.

"Los protones y neutrones consisten en ondas de quarks y gluones confinados en un espacio de aproximadamente 100, 000 veces más pequeño que el tamaño de un átomo, "Prof. Charles Hyde, investigador de la Universidad Old Dominion en Virginia, dijo Phys.org. "Este papel, resultante del trabajo en el Hall A de Jefferson Lab, puede describirse como golpear un protón o neutrón con un electrón de alta energía, y luego detectando un rayo gamma emitido para 'tomar una foto' de las ondas de los quarks ".

En su trabajo, Hyde y sus colegas demostraron una nueva técnica para resolver por separado la distribución espacial de los quarks ascendentes y descendentes de longitudes de onda particulares (es decir, distancia cresta a cresta), al mismo tiempo que mide el desplazamiento entre las crestas de onda de los quarks ascendentes y descendentes. Usando esta técnica, pudieron recopilar la primera observación experimental de DVCS en neutrones.

"El estudio de la dispersión de Compton profundamente virtual (DVCS) a partir del neutrón fue una extensión natural de los estudios sobre el protón, "Dr. Carlos Muñoz Camacho, investigador del Institut de Physique Nucléaire d'Orsay en Francia, dijo Phys.org. "DVCS puede informarnos sobre la posición transversal y el momento longitudinal de los quarks dentro del nucleón. Sin embargo, Los experimentos de DVCS en el protón por sí solo no pueden decir de qué sabor de quark se dispersa el fotón ".

Como ningún objetivo de neutrones es completamente puro, El estudio experimental de DVCS a partir del neutrón puede ser un gran desafío. Realizando DVCS a partir del neutrón y combinando los resultados con los obtenidos en experimentos previos con protones, los investigadores pudieron mapear la posición y los momentos de los quarks arriba y abajo dentro del nucleón de forma independiente.

En sus experimentos, los investigadores decidieron utilizar un objetivo de deuterio, un núcleo formado por un protón y un neutrón, impactado por un haz de electrones polarizados de 6GeV. Esta viga fue proporcionada por Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) en Newport News, Virginia.

"Medimos los electrones dispersos y los fotones energéticos emitidos durante la reacción utilizando detectores de alta precisión, "Dr. Meriem Benali, quien recientemente obtuvo su Ph.D. de la Faculté des Sciences de Monastir en Túnez, dijo Phys.org. "El neutrón de retroceso se identificó mediante una técnica llamada conservación de energía-momento".

Los investigadores compararon los datos que recopilaron en su experimento sobre el núcleo de deuterio con los datos recopilados en el pasado utilizando objetivos de hidrógeno (es decir, un núcleo con un solo protón). Esto les permitió identificar eventos raros de DVCS que ocurren en neutrones, determinando las contribuciones de los quarks up y down por separado.

"Nuestros resultados demuestran la viabilidad experimental de las mediciones de DVCS de neutrones, que son altamente complementarios a los de protones, "Dr. Malek Mazouz, profesor de la Faculté des Sciences de Monastir en Túnez, dijo Phys.org. "Dado que el neutrón tiene un contenido de sabor de quark diferente al del protón, la combinación de mediciones de neutrones y protones nos permitió, por primera vez, estudiar experimentalmente los GPD a nivel de quarks ".

DVCS es un proceso difícil de medir, especialmente de un neutrón. Como un neutrón no lleva carga eléctrica neta, su probabilidad de interactuar con los electrones es mucho menor que la de un protón.

La llamada colaboración A fue posible gracias a varios avances técnicos, incluido el intenso haz de electrones proporcionado por JLab y detectores de alta precisión. Para asegurar su éxito, los investigadores monitorearon la calibración de los detectores con extremo cuidado durante los varios meses en los que tuvo lugar su experimento.

"Los protones y neutrones son como peonzas, "Dijo Hyde." Un resultado sorprendente de nuestro estudio es que al utilizar el rango de energía completo del acelerador Jefferson Lab, las mediciones también podrían distinguir cómo cambia la distribución de los quarks en el protón y el neutrón con la orientación del protón o el espín del neutrón ".

Este equipo de investigadores fue el primero en observar con éxito el proceso DVCS a partir del neutrón, que es un logro importante. Al agregar una serie de restricciones a los modelos GPD, sus hallazgos podrían ayudar a responder una serie de preguntas fundamentales, por ejemplo, desvelar el origen del espín del nucleón. Además, su trabajo abre una nueva vía para el mapeo experimental de sabores de quarks independientes dentro de un nucleón.

"La instalación del acelerador en JLab se ha actualizado recientemente y la energía del haz de electrones es mucho mayor (11 GeV), ", Dijo Muñoz Camacho." Nuevos experimentos DVCS están en curso y planeados para el futuro, lo que nos permitirá mapear las distribuciones de los quarks dentro del nucleón con mayor precisión. Las mediciones DVCS también son una de las motivaciones científicas para el futuro proyecto Electron-Ion Collider (EIC), planeado para ser construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (NY, NOSOTROS.)."

El nuevo colisionador en el Laboratorio Nacional de Brookhaven pronto debería permitir a los investigadores estudiar la distribución de posición y momento de los gluones, las partículas que mantienen unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. De hecho, Las imágenes de quarks y gluones son un componente clave del programa científico para el desarrollo del nuevo colisionador Electrón-Ión, que fue anunciado recientemente por el Departamento de Energía de EE. UU.

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