Nukleony, czyli protony i neutrony, nie są cząstkami elementarnymi. W ich wnętrzu znajdują się kwarki i gluony, nazywane wspólnie partonami. Już w 1982 roku eksperyment European Muon Collaboration wykazał, że rozkład pędu tych składników zmienia się, gdy proton lub neutron znajduje się wewnątrz jądra atomowego. Zjawisko to, zwane skrótowo nPDF, od dłuższego czasu zastanawiało uczonych, którzy chcieli ustalić, dlaczego związanie nukleonu w jądrze wpływa na jego wewnętrzną strukturę.
Czytaj też: Splątali lewitujące szkło ze światłem. Fizycy przeprowadzili sensacyjny eksperyment
Problem ten frapuje między innymi ze względu na różnicę skal energetycznych. Energia odpowiedzialna za związanie nukleonów w jądrze jest znacznie mniejsza niż energia potrzebna do badania zachowania kwarków i gluonów znajdujących się wewnątrz pojedynczego nukleonu. Mimo to położenie nukleonu w jądrze okazuje się mieć znaczenie dla sposobu, w jaki rozkłada się jego wewnętrzny pęd. Nowe wyniki z ATLAS pokazują, iż znaczenie może mieć również dokładna lokalizacja nukleonu względem krawędzi jądra.
Aby przeprowadzić pomiar, badacze wykorzystali peryferyjne zderzenia jonów ołowiu. W przeciwieństwie do klasycznych zderzeń czołowych oba jądra nie uderzają w siebie bezpośrednio. Przelatują obok siebie, oddziałując za pośrednictwem potężnych pól elektromagnetycznych. Jedno z jąder może wówczas wyemitować foton, który trafia w drugie jądro i wywołuje reakcję prowadzącą między innymi do powstania wysokoenergetycznych dżetów cząstek. Ich właściwości pozwalają uzyskać informacje o kwarkach i gluonach znajdujących się w badanym nukleonie.
Badacze skupili się na neutronach emitowanych podczas takich procesów. Zazwyczaj oddziaływanie fotonu prowadzi do rozpadu jądra i pojawienia się neutronów lecących w kierunku wiązki. ATLAS może wykrywać je za pomocą kalorymetrów ZDC umieszczonych około 140 metrów od miejsca zderzenia. W około 4 procentach przypadków foton trafia jednak w pojedynczy nukleon, pozostawiając resztę jądra w stanie nienaruszonym. Brak takich neutronów pozwala zidentyfikować zdarzenia, w których oddziaływanie zaszło bliżej krawędzi jądra.
Zespół ATLAS przeanalizował więc dane ze zderzeń ołowiu z ołowiem z 2018 roku, odpowiadające całkowitej zintegrowanej jasności 1,72 nb⁻¹. Naukowcy wybrali zdarzenia zawierające co najmniej dwa dżety, a następnie podzielili je na grupy w zależności od obecności neutronów skierowanych do przodu. Porównanie rozkładów zmiennej x₊, która pozwala oszacować część pędu nukleonu przenoszoną przez badany parton, ujawniło wyraźną różnicę między obiema grupami.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali ślad materii z pierwszych chwil wszechświata. Przełomowe odkrycie w CERN
Statystyczna istotność zaobserwowanego efektu wyniosła 6 odchyleń standardowych. Według samych zainteresowanych jest to pierwsza obserwacja sugerująca bezpośrednio, iż rozkład partonów w nukleonach znajdujących się przy krawędzi jądra różni się od tego w nukleonach położonych bliżej jego centrum. Wynik nie kończy jednak badań nad tym zjawiskiem. Dalsze działania w tej sprawie będą w dużej mierze zależne od większego zbioru danych, Run 3.
Źródło: ATLAS CERN
