Los científicos han encontrado una nueva forma de "ver" dentro de los núcleos atómicos más simples para comprender mejor el "pegamento" que mantiene unidos los componentes básicos de la materia. Los resultados, recién publicados en Physical Review Letters , provienen de colisiones de fotones (partículas de luz) con deuterones, los núcleos atómicos más simples (hechos de un solo protón unido a un neutrón).

Las colisiones tuvieron lugar en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. Científicos de todo el mundo analizan los datos de las colisiones subatómicas del RHIC para obtener información sobre las partículas y las fuerzas que forman la materia visible de nuestro mundo.

En estas colisiones particulares, los fotones actuaron como un haz de rayos X para brindar el primer vistazo de cómo se organizan las partículas llamadas gluones dentro del deuterón.

"El gluón es muy misterioso", dijo el físico Zhoudunming Tu de Brookhaven Lab, quien dirigió este proyecto para la Colaboración STAR de RHIC. Los gluones, como "portadores" de la fuerza fuerte*, son el pegamento que une a los quarks, los bloques de construcción internos de protones y neutrones. También mantienen juntos protones y neutrones para formar núcleos atómicos. "Queremos estudiar la distribución de gluones porque es una de las claves que une a los quarks. Esta medición de la distribución de gluones en un deuterón nunca se ha hecho antes".

Además, debido a que las colisiones de fotones y deuterones a veces rompen los deuterones, las colisiones pueden ayudar a los científicos a comprender este proceso.

"La medición de la ruptura del deuterón nos dice mucho sobre los mecanismos básicos que mantienen unidas estas partículas en los núcleos en general", dijo Tu.

Comprender los gluones y su papel en la materia nuclear será un foco central de investigación en el Colisionador de iones de electrones (EIC), una futura instalación de investigación de física nuclear en las etapas de planificación en Brookhaven Lab. En EIC, los físicos utilizarán fotones generados por electrones para sondear las distribuciones de gluones dentro de protones y núcleos, así como la fuerza que mantiene unidos a los núcleos. Pero Tu, que ha estado desarrollando planes de investigación en el EIC, se dio cuenta de que podría obtener algunas pistas al observar los datos existentes de los experimentos de RHIC de 2016 con deuterones.

"La motivación para estudiar el deuterón es porque es simple, pero aún tiene todo lo que tiene un núcleo complejo", explicó Tu. "Queremos estudiar el caso más simple de un núcleo para comprender estas dinámicas, incluida la forma en que cambian a medida que se pasa de un protón simple a los núcleos más complejos que estudiaremos en el EIC".

Entonces, comenzó a examinar los datos recopilados por STAR de cientos de millones de colisiones en 2016.

"Los datos estaban allí. Nadie había investigado la distribución de gluones del deuterón hasta que comencé cuando era Goldhaber Fellow en 2018. Me acababa de unir a Brookhaven y encontré esta conexión con el EIC".

Brillando la luz

RHIC puede acelerar una amplia gama de iones:núcleos atómicos despojados de sus electrones. Incluso puede enviar haces de dos tipos diferentes de partículas a toda velocidad en direcciones opuestas a través de los anillos gemelos de su pista circular de 2,4 millas a casi la velocidad de la luz. Pero no puede acelerar los fotones directamente.

Pero gracias a la física, recientemente cubierta aquí, las partículas que se mueven rápidamente con mucha carga positiva emiten su propia luz. Entonces, en 2016, cuando RHIC estaba haciendo colisionar deuterones con iones de oro altamente cargados, esos iones de oro veloces estaban rodeados por nubes de fotones. Al identificar las "colisiones ultraperiféricas", en las que el deuterón apenas pasa por la nube de fotones de un ion de oro, Tu se dio cuenta de que podía estudiar los fotones que interactúan con los deuterones para echar un vistazo al interior.

El signo revelador de esas interacciones es la producción de una partícula llamada J/psi, provocada por la interacción del fotón con los gluones dentro del deuterón.

"Encontré 350 J/psi. Solo hay 350 eventos de los cientos de millones de colisiones registradas por el experimento STAR. En realidad, es un evento muy raro", dijo Tu.

Aunque el J/psi decae rápidamente, el detector STAR puede rastrear los productos de decaimiento para medir cuánto impulso se transfirió de la interacción. Medir la distribución de la transferencia de momento en todas las colisiones permite a los científicos inferir la distribución de gluones.

"Existe una conexión biunívoca entre la transferencia de impulso (el 'empujón' que se le da al J/psi) y la ubicación del gluón en el deuterón", explicó Tu. "En promedio, los gluones dentro del núcleo del deuterón dan un impulso de impulso muy grande. Los gluones en la periferia dan un impulso más pequeño. Por lo tanto, observar la distribución de impulso general puede usarse para mapear la distribución de gluones en el deuterón".

"Los hallazgos de nuestro estudio han llenado un vacío en nuestra comprensión de la dinámica de gluones entre un protón libre y un núcleo pesado", dijo Shuai Yang, colaborador de STAR de la Universidad Normal del Sur de China. Yang ha sido un físico destacado en el uso de la luz emitida por iones de movimiento rápido para estudiar las propiedades de la materia nuclear en colisiones ultraperiféricas núcleo-núcleo en el RHIC y en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Europa. "Este trabajo construye un puente que conecta la física de partículas y la física nuclear", dijo.

Otro colaborador destacado, William Schmidke de Brookhaven Lab, dijo:"De hecho, hemos estado estudiando este proceso durante muchos años. Pero este es el primer resultado que nos dice la dinámica de gluones para ambos nucleones individuales (el término colectivo para protones y neutrones). y el núcleo en el mismo sistema".

Estudiando la ruptura del deuterón

Además de generar una partícula J/psi, cada interacción fotón-gluón también genera un impulso que desvía el deuterón, o rompe ese núcleo simple en un protón y un neutrón. Estudiar el proceso de ruptura da una idea de la fuerza generada por los gluones que mantiene unidos los núcleos.

En el caso de una ruptura, el protón con carga positiva se curva en el campo magnético del acelerador RHIC. Pero el neutrón neutro sigue moviéndose en línea recta. Para capturar estos "neutrones espectadores", STAR tiene un detector ubicado a 18 metros de distancia de su centro, justo a lo largo de la línea de luz en un extremo.

"Este proceso es muy simple", señaló Tu. "Solo se produce un J/psi en el centro de STAR. Las únicas otras partículas que se pueden crear son a partir de esta ruptura de deuterones. Entonces, cada vez que obtienes un neutrón, sabes que proviene de la ruptura de deuterones. El detector STAR puede medir sin ambigüedades este proceso a alta energía".

Medir cómo se asocia el proceso de ruptura con una partícula J/psi producida a través de la interacción con gluones puede ayudar a los científicos a comprender el papel de los gluones en la interacción entre protones y neutrones. Ese conocimiento podría ser diferente de lo que los científicos entienden sobre esas interacciones a baja energía.

"A alta energía, el fotón 've' casi nada más que gluones dentro del deuterón", dijo Tu. "Después de que los gluones 'pateen' la partícula J/psi, es muy probable que la forma en que este 'golpe' conduce a una ruptura esté relacionada con la dinámica del gluón entre el protón y el neutrón. La ventaja de esta medición es que podemos identificar experimentalmente el gluón- canal dominado y la ruptura nuclear al mismo tiempo".

Además, Tu señala que medir los neutrones producidos a través de la ruptura nuclear, generalmente conocido como "etiquetado de espectador", es una técnica amplia y útil y definitivamente se usará en el futuro EIC.

Pero en el EIC, “la instrumentación será mucho mejor y tendrá más cobertura”, explicó. "Podremos mejorar aún más la precisión de las mediciones de distribución espacial de gluones desde núcleos ligeros hasta núcleos pesados. Y los sistemas detectores EIC capturarán casi todo lo relacionado con la ruptura del núcleo, para que podamos estudiar con más detalle cómo interactúan los nucleones entre sí". ."

Los colaboradores clave adicionales que colaboraron para realizar los complicados análisis de datos para este estudio incluyen a los físicos de Brookhaven Lab Jaroslav Adam, Zilong Chang y Thomas Ullrich.

* La fuerza fuerte es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (fuerza fuerte, débil, electromagnética y gravitacional). Y a diferencia de cualquiera de las otras fuerzas, la fuerza de interacción se vuelve más grande a medida que aumenta la distancia. La fuerza de unión entre dos quarks a una distancia superior a 10 ^-15 metros (más allá de una millonésima de una billonésima parte de un metro) es más de 10 toneladas. + Explora más

Examinando los orígenes del espín de los protones