Для проведения уникального эксперимента по глубоко неупругому рассеянию электронов исследователи использовали тритий в качестве цели. Тщательные измерения, которые требовали двух десятилетий подготовки, предоставили свежие сведения о взаимодействии нуклонов внутри ядра.
Атомные ядра формируются из нуклонов, включающих протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Кварки удерживаются вместе благодаря глюонам, выступающим в роли переносчиков сильного ядерного взаимодействия. Протон строится из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков.
Внутренняя структура нуклонов до конца не изучена учеными. Внутри них постоянно возникают и исчезают пары кварк — антикварк. Распределение импульса и спина среди всех компонентов нуклонов пока не установлено.
Ядерная физика и свойства нуклонов непрерывно изучаются физиками с помощью экспериментов, проводимых на ускорителях элементарных частиц. В экспериментах участвуют MARATHON, проведенного коллаборацией ученых Jefferson Lab Hall A Tritium Collaboration, представили свежие данные о точном определении соотношения функций структуры нейтрона и протона ( F₂ⁿ/F₂ᵖ), который позволяет определить, как распределяется импульс между кварками внутри нуклонов. Результаты, полученные исследователями, предоставляют новые перспективы для проверки теорий Квантовой Хромодинамики. Статья об этом опубликована в Physical Review Letters.
MARATHON — является сокращением, отражающим суть проводимого исследования ( Measurement of the F₂ⁿ/F₂ᵖ, d/u Ratios and A=3 EMC Effect in Deep Inelastic Scattering off Tritium and Helium-3 Mirror Nuclei). На русском языке это выражение означает «определение пропорций функций F₂ⁿ/F₂ᵖ, кварков d/u и EMC-эффекта для ядер с массовым числом A=3 при глубоком неупругом рассеянии на зеркальных ядрах трития и гелия-3».
Используя пучок электронов, разогнанных до значительных скоростей и, как следствие, обладающих высокой энергией, ученые бомбардировали мишени, состоящие из ядер трития и гелия-3. В результате этих столкновений нуклоны, находящиеся в ядрах разрушаются, в процессе взаимодействия энергия электрона передается отдельным кваркам. Анализ картины рассеяния электронного пучка позволяет исследователям получить информацию о происходящих внутри протонов и нейтронов процессах. Этот метод называется глубоким неупругим рассеянием.
В экспериментах физики применяют ядра гелия-3 и трития – радиоактивного изотопа водорода. Эти ядра обладают зеркальной структурой, оба имеют массовое число три. Ядро трития состоит из одного протона и двух нейтронов, а ядро гелия-3 – из двух протонов и одного нейтрона. Благодаря простой структуре и зеркальности ядер удается минимизировать ошибки и погрешности при анализе результатов эксперимента.
Структурные функции нейтронов и протонов, F₂ⁿ и F₂ᵖ содержат важную информацию о распределении импульсов среди верхних и нижних кварков. Соотношение таких функций F₂ⁿ/F₂ᵖ предсказано в рамках Квантовой Хромодинамики, фундамента современной теории физики элементарных частиц. Соотношение нижних и верхних кварков, d/u, определили с помощью структурных функций. На его основе ученые проверили модель строения нуклонов.
EMC-этот эффект заключается в том, что структурные характеристики отдельных нуклонов не суммируются в структурную функцию всего ядра. Свободные протоны и нейтроны проявляют иные свойства, чем те, что включены в состав ядра. Причина этого явления физикам остаётся неизвестной. До настоящего момента физики выполняли аналогичные измерения для ядер с другими массовыми числами A=2 и А=4.
«Почему свободные нуклоны претерпевают изменения при объединении в ядро, остаётся неясным. Ранее теоретиками предполагалось, что измерение EMC-по его словам, понимание этого эффекта будет иметь решающее значение для объяснения процесса», — сообщил Макис Петратос ( Makis Petratos), пресс-секретарь эксперимента MARATHON.
Группа ученых создала мишень, содержащую тритий, для проведения эксперимента JLAB Target Group под руководством Дейва Микинса (Dave Meekins). Он сообщил, что именно этот объект оказался самой серьезной трудностью эксперимента. Тритий — радиоактивный газ, для которого потребовалась уникальная, одновременно подходящая для эксперимента и безопасная для человека мишень. Это первое использование такого материала в качестве цели за более чем тридцать лет работы коллаборации.
«Понимание ядерного EMC-понимание эффектов и структуры ядерных систем, содержащих небольшое количество нуклонов, продолжает оставаться одной из ключевых задач современной физики высоких энергий, отметил Петратос.
Полученные данные, вместе с другими сведениями, способны оказать существенное влияние на исследования в области ядерной физики и физики частиц, поскольку они помогут усовершенствовать модели строения нуклонов и подтвердить теоретические выводы.