Opowieść o różnicy w pomiarach masy i objętości

Eksperyment „czarownicy” ujawnia masę gluonu w protonie

Eksperymentalna identyfikacja gluonowych grawitacyjnych czynników kształtu protonu mogła ujawnić część ukrytej masy protonu.

Fizycy jądrowi mogli w końcu wskazać, gdzie w protonie znajduje się większość jego masy. Niedawny eksperyment przeprowadzony w Thomas Jefferson National Accelerator Facility w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych ujawnił promień masowy protonu generowanego przez oddziaływanie silne, gdy skleja ze sobą budujące protony kwarki. Wynik został opublikowany w czasopiśmie 29 marca Natura.

Jedną z największych tajemnic protonu jest pochodzenie jego masy. Okazuje się, że zmierzona masa protonu pochodzi nie tylko z jego fizycznych elementów budulcowych, tak zwanych trzech kwarków walencyjnych.

„Jeśli dodamy masy kwarków Modelu Standardowego do protonu, otrzymamy tylko niewielką część masy protonu” – wyjaśnił współmówca eksperymentu Sylvester Justin, fizyk eksperymentalny w Argonne National Laboratory DOE.

W ciągu ostatnich kilku dekad fizycy jądrowi wstępnie doszli do wniosku, że masa protonu pochodzi z kilku źródeł. Po pierwsze, uzyskuje trochę masy z mas swoich kwarków, a trochę więcej masy z ruchu. Następnie otrzymujesz masę energii silnej siły, która skleja te kwarki razem, a siła ta manifestuje się jako „gluony”. W końcu otrzymujesz masę dynamicznych oddziaływań kwarków i gluonów protonowych.

Ten nowy pomiar mógł w końcu rzucić nieco światła na masę generowaną przez gluony protonowe poprzez zlokalizowanie materiału generowanego przez te gluony. Ten promień jądra materii znajduje się w środku protonu. Wynik wydaje się również wskazywać, że ten rdzeń ma inny rozmiar niż dobrze zmierzony promień ładunku protonu, wielkość, która jest często używana jako przybliżenie rozmiaru protonu.

„Promień tej struktury masy jest mniejszy niż promień ładunku, więc daje nam to poczucie hierarchii masy w stosunku do struktury ładunku jądra” – powiedział Mark Jones, rzecznik eksperymentu, Holes A&C w Jefferson Lab . lider.

Według współautora eksperymentu, Zainuddina Mazianiego, naukowca z Krajowego Laboratorium Argonne w Departamencie Energii, odkrycie to było właściwie niespodzianką.

„To, co odkryliśmy, jest czymś, czego tak naprawdę nie spodziewaliśmy się w ten sposób. Pierwotnym celem tego eksperymentu było poszukiwanie pentakwarku, o którym donosili naukowcy z[{” attribute=””>CERN,” Meziani said

The experiment was performed in Experimental Hall C in Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility, a DOE Office of Science user facility. In the experiment, energetic 10.6 GeV (billion electron-volt) electrons from the CEBAF accelerator were sent into a small block of copper. The electrons were slowed down or deflected by the block, causing them to emit bremsstrahlung radiation as photons. This beam of photons then struck the protons inside a liquid hydrogen target. Detectors measured the remnants of these interactions as electrons and positrons.

The experimenters were interested in those interactions that produced J/ Ψ particles amongst the hydrogen’s proton nuclei. The J/ Ψ is a short-lived meson that is made of charm/anti-charm quarks. Once formed, it quickly decays into an electron/positron pair.

Of the billions of interactions, the experimenters found about 2,000 J/ Ψ particles in their cross-section measurements of these interactions by confirming the coincident electron/positron pairs.

“It’s similar to what we’ve been doing all along. By doing elastic scattering of the electron on the proton, we’ve been getting the proton’s charge distribution,” said Jones. “In this case, we did exclusive photo-production of the J/ Ψ from the proton, and we’re getting the gluon distribution instead of the charge distribution.”

The collaborators were then able to insert these cross-section measurements into theoretical models that describe the gluonic gravitational form factors of the proton. The gluonic form factors detail the mechanical characteristics of the proton, such as its mass and pressure.

“There were two quantities, known as gravitational form factors, that we were able to pull out, because we had access to these two models: the generalized parton distributions model and the holographic quantum chromodynamics (QCD) model. And we compared the results from each of these models with lattice QCD calculations,” Meziani added.

From two different combinations of these quantities, the experimenters determined the aforementioned gluonic mass radius dominated by graviton-like gluons, as well as a larger radius of attractive scalar gluons that extend beyond the moving quarks and confine them.

“One of the more puzzling findings from our experiment is that in one of the theoretical model approaches, our data hint at a scalar gluon distribution that extends well beyond the electromagnetic proton radius,” Joosten said. “To fully understand these new observations and their implications on our understanding of confinement, we will need a new generation of high-precision J/ Ψ experiments.”

One possibility for further exploration of this tantalizing new result is the Solenoidal Large Intensity Device experiment program, called SoLID. The SoLID program is still in the proposal stage. If approved to move forward, experiments conducted with the SoLID apparatus would provide new insight into J/ Ψ production with the SoLID detector. It will really be able to make high-precision measurements in this region. One of the major pillars of that program is J/ Ψ production, along with transverse momentum distribution measurements and parity-violating deep inelastic scattering measurements,” Jones said.

Jones, Joosten and Meziani represent an experimental collaboration that includes more than 50 nuclear physicists from 10 institutions. The spokespeople also want to highlight Burcu Duran, the lead author and a postdoctoral research associate at the University of Tennessee, Knoxville. Duran featured this experiment in her Ph.D. thesis as a graduate student at Temple University, and she was a driving force behind the analysis of the data.

The collaboration conducted the experiment over about 30 days in February-March 2019. They agree that this new result is intriguing, and they say that they all are looking forward to future results that will shed additional light on the glimpses of new physics that it implies.

“The bottom line for me – there’s an excitement right now. Could we find a way to confirm what we are seeing? Is this new picture information going to stick?” Meziani said. “But to me, this is really very exciting. Because if I think now of a proton, we have more information about it now than we’ve ever had before.”

Reference: “Determining the gluonic gravitational form factors of the proton” by B. Duran, Z.-E. Meziani, S. Joosten, M. K. Jones, S. Prasad, C. Peng, W. Armstrong, H. Atac, E. Chudakov, H. Bhatt, D. Bhetuwal, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. M. Dalton, N. Deokar, M. Diefenthaler, J. Dunne, L. El Fassi, E. Fuchey, H. Gao, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, D. Higinbotham, S. Jia, A. Karki, C. Keppel, P. King, H. S. Ko, X. Li, R. Li, D. Mack, S. Malace, M. McCaughan, R. E. McClellan, R. Michaels, D. Meekins, Michael Paolone, L. Pentchev, E. Pooser, A. Puckett, R. Radloff, M. Rehfuss, P. E. Reimer, S. Riordan, B. Sawatzky, A. Smith, N. Sparveris, H. Szumila-Vance, S. Wood, J. Xie, Z. Ye, C. Yero and Z. Zhao, 29 March 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4

Funding: DOE/US Department of Energy