تمسخر امر عجیب و غریب معمولی

بینش های جدید آزمایشگاه جفرسون جزئیاتی را در مورد عجیب بودن ماده نشان می دهد در ماده معمولی شکل می گیرد

نیوپورت نیوز، ویرجینیا – فیزیکدانان هسته ای در یک تحلیل منحصر به فرد از داده های تجربی اولین مشاهدات از چگونگی تولید ذرات لامبدا، به اصطلاح “ماده عجیب” توسط فرآیند خاصی به نام پراکندگی غیرالاستیک عمیق نیمه فراگیر (SIDIS). علاوه بر این، این داده ها اشاره می‌کند که بلوک‌های سازنده پروتون‌ها، کوارک‌ها و گلوئون‌ها می‌توانند از هسته اتم به صورت جفت به نام دی‌کوارک، حداقل در برخی مواقع عبور کنند. این نتایج حاصل آزمایشی است که در تأسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده انجام شد.

این نتیجه دهه ها در حال ساخت است. مجموعه داده ها در ابتدا در سال 2004 جمع آوری شد. لامیا الفاسی، اکنون دانشیار فیزیک در دانشگاه ایالتی می سی سی پی و محقق اصلی کار، اولین بار این داده ها را در طول پروژه فارغ التحصیلی خود تجزیه و تحلیل کرد تا مدرک خود را در موضوعی متفاوت دریافت کند.

تقریباً یک دهه پس از تکمیل مطالعه اولیه خود با این داده ها، الفاسی مجدداً مجموعه داده ها را بررسی کرد و گروه خود را از طریق تجزیه و تحلیل دقیق برای به دست آوردن این اندازه گیری های بی سابقه هدایت کرد. مجموعه داده‌ها از آزمایش‌های آزمایشگاه جفرسون (CEBAF) که یک مرکز کاربر DOE است، به دست می‌آید. در این آزمایش، فیزیکدانان هسته‌ای ردیابی کردند که وقتی الکترون‌های CEBAF از هسته هدف پراکنده می‌شوند و کوارک‌های به دام افتاده درون پروتون‌ها و نوترون‌ها را بررسی می‌کنند. نتایج اخیراً در نامه معاینه فیزیکی.

“این مطالعات به ساختن داستانی شبیه به فیلم از چگونگی تبدیل کوارک ضربه خورده به هادرون کمک می کند. الفاسی گفت: در یک مقاله جدید، اولین مشاهدات چنین مطالعه باریون لامبدا را در مناطق تکه تکه شدن جلو و عقب گزارش می کنیم.

داخل مثل لامبدا، بیرون مثل گل صد تومانی

مانند پروتون ها و نوترون های آشناتر، هر لامبدا از سه کوارک تشکیل شده است.

برخلاف پروتون ها و نوترون ها که فقط حاوی مخلوطی از بالا و پایین کوارک ها، لامبداها حاوی یکی هستند بالا کوارک، یک پایین کوارک و یک عجیب کوارک فیزیکدانان ماده ای را که در آن وجود دارد نامگذاری کرده اند عجیب کوارک های “ماده عجیب”.

در این کار، ال فاسی و همکارانش بررسی می کنند که چگونه این ذرات ماده عجیب از برخورد ماده معمولی تشکیل می شوند. برای انجام این کار، آنها پرتو الکترونی CEBAF را به سمت اهداف مختلفی از جمله کربن، آهن و سرب شلیک کردند. هنگامی که یک الکترون با انرژی بالا از یک CEBAF به یکی از این اهداف برخورد می کند، یک پروتون یا نوترون را به یکی از هسته های هدف تجزیه می کند.

الفاسی گفت: «از آنجایی که پروتون یا نوترون کاملاً شکسته شده است، شکی نیست که الکترون با یک کوارک درون تعامل دارد.

پس از برهمکنش الکترون با کوارک یا کوارک ها از طریق یک فوتون مجازی مبادله شده، کوارک(های) ضربه خورده شروع به حرکت به عنوان یک ذره آزاد در محیط می کند، که معمولاً با کوارک(های) دیگری که با آن مواجه می شود پیوند می زند تا یک جزء جدید تشکیل دهد. ذرات در هنگام انتشار در هسته. و گاهی اوقات آن ذره تشکیل دهنده یک لامبدا خواهد بود.

اما لامبدا کوتاه مدت است – پس از تشکیل آن، به سرعت به دو ذره دیگر تجزیه می شود: یک پیون و یک پروتون یا نوترون. برای اندازه‌گیری ویژگی‌های مختلف این ذرات لامبدا، فیزیکدانان باید دو ذره دختر و همچنین پرتو الکترونی را که از هسته هدف پراکنده شده است، شناسایی کنند.

آزمایشی که این داده ها را جمع آوری کرد، EG2، از آشکارساز طیف سنج پذیرش بزرگ CEBAF (CLAS) در سالن آزمایش B آزمایشگاه جفرسون استفاده می کند. این نتایج اخیرا منتشر شده، “اولین اندازه گیری تولید برق Λ از هسته ها در مناطق تکه تکه شدن فعلی و هدف“، بخشی از همکاری CLAS است که شامل تقریبا 200 فیزیکدان از سراسر جهان است.

SIDS

این کار اولین کاری است که لامبدا را با استفاده از این فرآیند، که به عنوان پراکندگی عمیق غیرالاستیک نیمه فراگیر، در مناطق تکه تکه شدن رو به جلو و عقب شناخته می شود، اندازه گیری می کند. استفاده از این روش برای مطالعه ذرات لامبدا دشوارتر است زیرا ذرات آنقدر سریع تجزیه می شوند که نمی توان آنها را مستقیماً اندازه گیری کرد.

ویلیام بروکس، استاد فیزیک در دانشگاه فنی فدریکو سانتا ماریا و یکی از نویسندگان آزمایش EG2، می‌گوید: «این کلاس اندازه‌گیری قبلاً فقط روی پروتون‌ها و روی ذرات سبک‌تر و پایدارتر انجام می‌شد.»

تجزیه و تحلیل آنقدر چالش برانگیز بود که چندین سال طول کشید تا الفاسی و گروهش دوباره داده ها را تجزیه و تحلیل کنند و این نتایج را به دست آورند. استاد راهنما پایان نامه او، کوتار حفیدی، او را تشویق کرد تا تحقیقات خود را در مورد لامبدا از این مجموعه داده ها ادامه دهد.

حفیدی، معاون مدیر آزمایشگاه علوم فیزیکی و مهندسی در آزمایشگاه ملی Argonne و یکی از حامیان آزمایش EG2، گفت: «من می‌خواهم از تلاش و پشتکار لامیا در اختصاص سال‌ها از فعالیت حرفه‌ای خود در این زمینه قدردانی کنم. بدون او این کار به نتیجه نمی رسید.»

الفاسی گفت: «این کار آسانی نبود. این یک فرآیند طولانی و زمان‌بر است، اما ارزش تلاش را داشت. وقتی سال‌های زیادی را روی چیزی کار می‌کنید، دیدن انتشار آن حس خوبی دارد.»

الفاسی این تحلیل لامبدا را زمانی که خودش فوق دکترا بود آغاز کرد، چندین سال قبل از اینکه استادیار دانشگاه ایالتی می سی سی پی شود. در طول مسیر، چندین نفر از فوق دکترای خود در ایالت می سی سی پی به تولید این نتایج کمک کرده اند، از جمله تایا چهتری، نویسنده همکار.

چتری که اکنون پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه بین المللی فلوریدا است، گفت: «از انتشار این اثر بسیار خوشحال و با انگیزه هستم.

دو در مقابل یک

یک کشف قابل توجه از این تجزیه و تحلیل فشرده، نحوه درک فیزیکدانان را تغییر می دهد که چگونه لامبداها در نتیجه برخورد ذرات شکل می گیرند.

در مطالعات مشابهی که از پراکندگی غیرالاستیک عمیق نیمه فراگیر برای مطالعه ذرات دیگر استفاده کرده‌اند، ذرات مورد نظر معمولاً پس از “اصابت” یک کوارک توسط فوتون مجازی مبادله شده بین پرتو الکترونی و هسته هدف تشکیل می‌شوند. اما سیگنال به جا مانده از لامبدا در آشکارساز CLAS نشان دهنده یک معامله بسته بندی شده است.

تجزیه و تحلیل نویسندگان نشان داد که در شکل گیری لامبدا، فوتون مجازی بخشی از زمان توسط یک جفت کوارک به جای یک جفت کوارک به نام دی کوارک جذب می شود. این دیکوارک پس از ضربه زدن، کوارکی عجیب پیدا کرد و لامبدا را تشکیل داد.

حفیدی گفت: «این جفت کوارک نشان دهنده مکانیسم تولید و تعامل متفاوتی نسبت به برهمکنش تک کوارک است.

درک بهتر نحوه تشکیل ذرات مختلف به فیزیکدانان در تلاش برای رمزگشایی برهم کنش قوی، نیروی اساسی که این ذرات حاوی کوارک را در کنار هم نگه می دارد، کمک می کند. دینامیک این تعامل بسیار پیچیده است، همانطور که نظریه ای که برای توصیف آن استفاده می شود: کرومودینامیک کوانتومی (QCD).

مقایسه اندازه‌گیری‌ها با پیش‌بینی‌های مدل QCD به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا این نظریه را آزمایش کنند. از آنجایی که کشف دی کوارک با پیش بینی های فعلی مدل متفاوت است، نشان می دهد که چیزی در مدل اشتباه است.

“یک عنصر ناشناخته وجود دارد که ما آن را درک نمی کنیم. این بسیار شگفت‌انگیز است زیرا نظریه موجود می‌تواند اساساً تمام مشاهدات دیگر را توصیف کند، اما نه این مشاهدات. این بدان معناست که چیز جدیدی برای یادگیری وجود دارد، و در حال حاضر ما نمی‌دانیم چه چیزی ممکن است باشد.

برای پیدا کردن، آنها به اندازه گیری های بیشتری نیاز دارند.

داده های EG2 در 5.014 GeV جمع آوری شد (میلیارد الکترون ولت) پرتوهای الکترونی در عصر 6 GeV در CEBAF. آزمایش‌های آینده از پرتوهای الکترونی CEBAF به روز شده استفاده خواهند کرد، که اکنون تا 11 گیگا ولت برای سالن آزمایش B گسترش می‌یابد، و همچنین از یک آشکارساز به روز شده CLAS، معروف به CLAS12، برای ادامه مطالعه تشکیل ذرات مختلف، از جمله لامبدا، در پرانرژی بالاتر. الکترون ها

برخورددهنده یون الکترون (EIC) آینده در آزمایشگاه ملی بروکهاون DOE همچنین فرصت جدیدی را برای ادامه مطالعه این ماده عجیب و ساختار جفت کوارک نوکلئونی با دقت بیشتر فراهم می کند.

چتری گفت: «این نتایج زمینه را برای مطالعات آتی CLAS12 آینده و آزمایش‌های EIC برنامه‌ریزی‌شده فراهم می‌کند، جایی که می‌توان پراکندگی دی‌کوارک را با جزئیات بیشتری بررسی کرد.»

ال فاسی همچنین یکی از حامیان اندازه گیری CLAS12 انتشار کوارک و تشکیل هادرون است. هنگامی که داده های آزمایش های جدید در نهایت آماده شد، فیزیکدانان آن را با پیش بینی های QCD مقایسه می کنند تا این نظریه را اصلاح کنند.

او گفت: “هر اندازه گیری جدیدی که اطلاعات جدیدی برای درک پویایی تعاملات قوی ارائه دهد، بسیار مهم است.”

توسط کریس پاتریک

مخاطب: کندیس کارتر، دفتر ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، kcarter@jlab.org