Το πείραμα ATLAS του CERN επιβεβαίωσε νέα ιδιότητα στη δομή του ατομικού πυρήνα

Σύνοψη

• Η συνεργασία ATLAS στο CERN επιβεβαίωσε ότι τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) που βρίσκονται στην περιφέρεια του ατομικού πυρήνα έχουν διαφορετική δομή από εκείνα στο κέντρο.
• Η επιστημονική ανακάλυψη βασίστηκε στην ανάλυση υπερ-περιφερειακών συγκρούσεων ιόντων μολύβδου που καταγράφηκαν το 2018 στον επιταχυντή LHC.
• Η στατιστική βεβαιότητα των ευρημάτων αγγίζει τα 6.0 Sigma, γεγονός που υπερκαλύπτει το όριο των 5 Sigma και καθιστά τα ευρήματα αδιαμφισβήτητη επιστημονική παρατήρηση.
• Τα νέα δεδομένα προσφέρουν πολύτιμες απαντήσεις για την κατανόηση της “επίδρασης EMC”, ενός άλυτου προβλήματος της πυρηνικής φυσικής που προβληματίζει την ακαδημαϊκή κοινότητα από το 1982.
• Η μελέτη ανοίγει νέους ερευνητικούς δρόμους για το επερχόμενο πρόγραμμα High-Luminosity LHC, το οποίο θα απαιτήσει την επικαιροποίηση των θεωρητικών μοντέλων που περιγράφουν τις πυρηνικές συγκρούσεις.

Το πείραμα ATLAS στο CERN επιβεβαίωσε με στατιστική ακρίβεια 6.0 Sigma ότι τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) που βρίσκονται στην περιφέρεια του ατομικού πυρήνα διαθέτουν διαφορετική εσωτερική κατανομή κουάρκ και γλουονίων σε σχέση με εκείνα που εντοπίζονται στο κέντρο. Η πρωτοποριακή παρατήρηση προέκυψε μέσα από την ανάλυση δεδομένων από υπερ-περιφερειακές συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

Κύρια δεδομένα

• Η μελέτη αξιοποίησε σύνολα δεδομένων από συγκρούσεις βαρέων ιόντων (μόλυβδος-μόλυβδος) με συνολική ολοκληρωμένη φωτεινότητα 1.72 nb⁻¹.
• Αναλύθηκαν γεγονότα όπου ένα φωτόνιο πλήττει ένα μεμονωμένο νουκλεόνιο, αφήνοντας τις περισσότερες φορές άθικτο τον υπόλοιπο πυρήνα.
• Χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένα θερμιδόμετρα μηδενικού βαθμού (ZDCs) σε απόσταση 140 μέτρων από το σημείο αλληλεπίδρασης για την ανίχνευση της παρουσίας ή απουσίας πρόσθιων νετρονίων.
• Η ανακάλυψη εισάγει μια απολύτως απαραίτητη χωρική μεταβλητή στις Πυρηνικές Συναρτήσεις Κατανομής Παρτονίων (nPDFs), επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί υπολογίζουν τις αλληλεπιδράσεις.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους των ατομικών πυρήνων, δεν συμπεριφέρονται ως συμπαγή και αδιαίρετα σωματίδια, καθώς στο εσωτερικό τους φιλοξενούν αεικίνητα κουάρκ και γλουόνια που αλληλεπιδρούν διαρκώς μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Ήδη από το 1982, οι φυσικοί που συμμετείχαν στη συνεργασία European Muon Collaboration (EMC) είχαν διαπιστώσει ένα εξαιρετικά παράδοξο φαινόμενο, το οποίο καταγράφηκε στην ιστορία της σωματιδιακής φυσικής ως “επίδραση EMC“. 

Η αρχική παρατήρηση υποδείκνυε ότι η κατανομή της ορμής των παρτονίων τροποποιείται σε τεράστιο βαθμό όταν ένα νουκλεόνιο βρίσκεται ισχυρά δεσμευμένο μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, συγκριτικά με την κατάσταση ενός εντελώς ελεύθερου και αδέσμευτου νουκλεονίου. Το επιστημονικό παράδοξο πηγάζει από την τεράστια διαφορά στις κλίμακες ενέργειας που εμπλέκονται στο κλειστό σύστημα, διότι η ενέργεια που απαιτείται για να διατηρηθεί ένα νουκλεόνιο εντός του πυρήνα είναι απειροελάχιστη απέναντι στην ασύλληπτη ενέργεια που χρειάζεται για να επιτευχθεί ο διαχωρισμός των παρτονίων στο εσωτερικό του.

Η ομάδα του πειράματος ATLAS προχώρησε πλέον ένα τεράστιο βήμα παραπέρα, επιχειρώντας να αποκωδικοποιήσει βαθύτερα τη μαθηματική τροποποίηση που περιγράφεται από τις Πυρηνικές Συναρτήσεις Κατανομής Παρτονίων (nPDFs). Για να επιτύχουν την απαιτούμενη εργαστηριακή ακρίβεια, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν με απόλυτη προσήλωση σε υπερ-περιφερειακές συγκρούσεις βαρέων ιόντων μολύβδου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, συλλέγοντας δεδομένα εξαιρετικής καθαρότητας. 

Σε πλήρη αντίθεση με τις καταστροφικές μετωπικές συγκρούσεις που δημιουργούν συνθήκες πλάσματος κουάρκ-γλουονίων, οι υπερ-περιφερειακές αλληλεπιδράσεις χαρακτηρίζονται από το μοναδικό φαινόμενο όπου τα ιόντα περνούν ξυστά το ένα δίπλα στο άλλο χωρίς ποτέ να επικαλύπτονται οι μάζες τους, αλληλεπιδρώντας αποκλειστικά και μόνο μέσω των πανίσχυρων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που τα περιβάλλουν σαν αόρατη ασπίδα. Μέσα από αυτή την αυστηρά ελεγχόμενη διαδικασία, ένα φωτόνιο που εκπέμπεται ακτινωτά από τον πρώτο πυρήνα χτυπά βίαια τον δεύτερο, δημιουργώντας εξαιρετικά κατευθυντικούς πίδακες σωματιδίων, τα χαρακτηριστικά των οποίων αποκαλύπτουν εν τέλει πολύτιμες πληροφορίες για την πραγματική κατάσταση των παρτονίων μέσα στον πυρήνα που δέχτηκε το πλήγμα.

Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των αλληλεπιδράσεων προκαλεί την άμεση διάσπαση του πυρήνα, παράγοντας ταχύτατα νετρόνια προς την κατεύθυνση της αρχικής κίνησης, τα οποία εντοπίζονται με χαρακτηριστική ευκολία από τα υπερευαίσθητα θερμιδόμετρα μηδενικού βαθμού (Zero-Degree Calorimeters) του ATLAS που παραμένουν μόνιμα εγκατεστημένα σε απόσταση 140 μέτρων από το κεντρικό σημείο της σύγκρουσης. Παρ’ όλα αυτά, σε ένα εξαιρετικά μικρό ποσοστό αλληλεπιδράσεων της τάξης του 4%, το φωτόνιο χτυπά αποκλειστικά ένα μεμονωμένο νουκλεόνιο αφήνοντας ανέπαφο ολόκληρο τον υπόλοιπο πυρήνα, γεγονός που υποδηλώνει με μαθηματική ακρίβεια ότι το πληγέν νουκλεόνιο βρισκόταν στα εξωτερικά γεωμετρικά όρια του πυρήνα. Η ερευνητική ομάδα διαχώρισε τεχνηέντως τα καταγεγραμμένα γεγονότα σε δύο αυστηρές κατηγορίες, αναλύοντας από τη μία πλευρά τις περιεκτικές συγκρούσεις (inclusive collisions) με έντονη παραγωγή πρόσθιων νετρονίων, όπου το πληγέν νουκλεόνιο βρισκόταν θαμμένο βαθιά μέσα στον πυρήνα, και από την άλλη πλευρά τις περιφερειακές συγκρούσεις (peripheral collisions) που χαρακτηρίζονταν από την πλήρη απουσία πρόσθιων νετρονίων.

Χρησιμοποιώντας προηγμένες μεταβλητές κινηματικής της σωματιδιακής φυσικής, όπως η κρίσιμη μεταβλητή x+ που εκτιμά με ακρίβεια το κλάσμα της αρχικής ορμής του νουκλεονίου το οποίο μεταφέρει τελικά το παρτόνιο, οι επιστήμονες κατάφεραν να συγκρίνουν αναλυτικά τα σχήματα των κατανομών μεταξύ των δύο διαφορετικών κατηγοριών. Η αναλογία των διατομών κατέδειξε μια σαφή, πλήρως μετρήσιμη κλίση που υποδηλώνει μια αγεφύρωτη διαφορά στις τροποποιήσεις των συναρτήσεων nPDF ανάμεσα στα νουκλεόνια του κεντρικού πυρήνα και σε εκείνα της εξωτερικής περιφέρειας. Η στατιστική δοκιμή που ακολούθησε την επεξεργασία των δεδομένων έδειξε ότι η διαφορά αυτή αγγίζει το επίπεδο σημαντικότητας των 6.0 τυπικών αποκλίσεων, ένα μεγάλο νούμερο που στον τομέα της σωματιδιακής φυσικής πιστοποιεί πέραν κάθε αμφιβολίας την εγκυρότητα και τη μονιμότητα της παρατήρησης.

Η αναδιαμόρφωση των παλαιότερων θεωρητικών μοντέλων που περιγράφουν τις πυρηνικές συγκρούσεις καθίσταται πλέον απολύτως επιβεβλημένη, διότι αμέτρητα παρατηρήσιμα μεγέθη στα σύγχρονα πειράματα εξαρτώνται άμεσα από τις Πυρηνικές Συναρτήσεις Κατανομής Παρτονίων, και μια συνάρτηση που μεταβάλλεται ανάλογα με τη γεωμετρική θέση αναμένεται να επηρεάσει ριζικά την τελική ερμηνεία των πειραμάτων επόμενης γενιάς. 

Τα ευρήματα αυτά διαμορφώνουν μια νέα, εξαιρετικά απαιτητική ερευνητική πραγματικότητα για τις μελλοντικές μετρήσεις επιταχυντών, προετοιμάζοντας εντατικά το έδαφος για την επικείμενη αναβάθμιση του εξοπλισμού σε High-Luminosity LHC, ο οποίος θα προσφέρει στους επιστήμονες πρωτόγνωρες δυνατότητες καταγραφής σωματιδιακών δεδομένων με ασύλληπτη ακρίβεια.