W ramach eksperymentu MARATHON naukowcy przeprowadzili najbardziej precyzyjny dotychczas pomiar stosunku funkcji struktury neutronu do protonu, otwierając nowe możliwości testowania współczesnych modeli chromodynamiki kwantowej. Wyniki tego przełomowego badania, opublikowane w renomowanym periodyku Physical Review Letters, mogą znacząco wpłynąć na nasze postrzeganie subatomowego świata.
Przełom po dwóch dekadach oczekiwania
Projekt MARATHON narodził się z potrzeby rozwiązania jednej z największych zagadek fizyki subatomowej. Choć wiemy, że nukleony składają się z kwarków i gluonów, ich wewnętrzna struktura wciąż kryje wiele tajemnic. Protony zawierają dwa kwarki górne i jeden dolny, podczas gdy neutrony mają jeden kwark górny i dwa dolne, ale wewnątrz nukleonów nieustannie pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, co utrudnia pełne zrozumienie rozkładu pędu i spinu między wszystkimi składnikami.
Czytaj także: Tak powstaje złoto. Po latach poszukiwań naukowcy znaleźli dowody w odległym kosmosie
Inicjatorami projektu byli naukowcy z Kent State University, Jefferson Lab i Argonne National Lab, którzy musieli czekać na modernizację akceleratora do energii 12 GeV. Dodatkowym wyzwaniem był długi proces oceny bezpieczeństwa związany z użyciem radioaktywnej tarczy. Eksperyment zatwierdzono dopiero w 2011 roku, a dane udało się zebrać siedem lat później.
Pierwszy pomiar efektu EMC w trycie
Najważniejszym osiągnięciem MARATHON okazał się pierwszy w historii pomiar efektu EMC dla trytu. Efekt ten, odkryty w 1983 roku przez European Muon Collaboration, dowodzi że funkcja struktury nieelastycznej jądra nie równa się sumie funkcji struktury jego składników nukleonowych. To zjawisko do dziś nie doczekało się pełnego teoretycznego wyjaśnienia.
Badacze wykorzystali jądra lustrzane trytu i helu-3, gdzie liczba protonów w jednym jądrze odpowiada liczbie neutronów w drugim. Takie rozwiązanie umożliwiło precyzyjne porównania i lepsze zrozumienie oddziaływań nukleon-nukleon. Co ciekawe, pomiar dla trytu prawdopodobnie nie zostanie powtórzony w przyszłości ze względu na ogromne trudności techniczne.
Wyzwania techniczne i innowacje
Stworzenie tarczy trytowej stanowiło największe wyzwanie całego eksperymentu. Tryt to radioaktywny gaz wymagający specjalnych środków bezpieczeństwa. Zespół pod kierownictwem Dave’a Meekinsa z Jefferson Lab opracował kriogeniczny system tarcz gazowych — pierwszy tego typu od ponad trzech dekad.
Naukowcy bombardowali gazowe tarcze trytu, helu-3 i deuteru wiązką o energii 11 GeV z akceleratora JLab. Rozproszone elektrony wykrywano przy użyciu dwóch najnowocześniejszych spektrometrów magnetycznych Hall A, wyposażonych w potężne magnesy nadprzewodzące i zaawansowaną aparaturę detekcyjną.
Precyzja na najwyższym poziomie
Wysoka jakość danych dotyczących funkcji struktury nieelastycznej trytu i helu-3 jest kluczowa dla zrozumienia wewnętrznej struktury i dynamiki trójnukleonowych układów natury. To właśnie takie dane mogą pomóc rozwikłać niektóre z najtrudniejszych zagadek fizyki subatomowej.
Znaczenie dla przyszłości fizyki
Zrozumienie jądrowego efektu EMC i struktury układów kilkunukleonowych pozostaje jednym z najważniejszych wyzwań współczesnej fizyki jądrowej wysokich energii. Wyniki MARATHON mogą przyczynić się do ulepszenia istniejących modeli struktury nukleonów i weryfikacji przewidywań teoretycznych chromodynamiki kwantowej.
Czytaj także: Fizycy przesunęli jądro atomu. Obiecujące osiągnięcie fizyków kwantowych
Jefferson Lab planuje już kolejne badania eksperymentalne i rozwój nowatorskich koncepcji teoretycznych. Prace te mogą znacząco poszerzyć naszą wiedzę o fundamentalnej naturze materii na poziomie subatomowym.
Eksperyment MARATHON doskonale ilustruje, jak długotrwałe i skomplikowane bywają badania podstawowe w fizyce. Mimo tych wyzwań, ich wyniki często otwierają zupełnie nowe perspektywy w nauce, stopniowo zmieniając nasze rozumienie świata na najbardziej fundamentalnym poziomie. To przypomnienie, że prawdziwe odkrycia wymagają nie tylko geniuszu, ale także cierpliwości i determinacji.