Các proton rung chuông mang lại cái nhìn sâu sắc về vũ trụ sơ khai

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

22/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Vào giữa thế kỷ trước, các nhà vật lý phát hiện ra rằng proton có thể cộng hưởng, giống như tiếng chuông ngân. Những tiến bộ trong ba thập kỷ qua đã mang lại những bức ảnh 3D về proton và những hiểu biết sâu sắc đáng kể về cấu trúc của nó ở trạng thái cơ bản. Nhưng người ta biết rất ít về cấu trúc 3D của proton cộng hưởng. Giờ đây, một thí nghiệm nhằm khám phá cấu trúc 3D của sự cộng hưởng của proton và neutron tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã bổ sung thêm một mảnh ghép nữa vào bức tranh rộng lớn về vũ trụ hỗn loạn, non trẻ tồn tại ngay sau Vụ nổ lớn. Nghiên cứu các tính chất và hành vi cơ bản của nucleon mang lại những hiểu biết quan trọng về các khối xây dựng cơ bản của vật chất. Nucleon là các proton và neutron tạo nên hạt nhân của nguyên tử. Mỗi nucleon bao gồm ba quark liên kết chặt chẽ với nhau bằng gluon bởi sự tương tác mạnh - lực mạnh nhất trong tự nhiên. Trạng thái ổn định nhất, năng lượng thấp nhất của nucleon được gọi là trạng thái cơ bản của nó. Nhưng khi một nucleon bị kích thích cưỡng bức lên trạng thái năng lượng cao hơn, các quark của nó sẽ quay và dao động lẫn nhau, thể hiện cái gọi là cộng hưởng nucleon. Một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Justus Liebig (JLU) Giessen ở Đức và Đại học Connecticut đã dẫn đầu nỗ lực Hợp tác CLAS để tiến hành một thí nghiệm khám phá những cộng hưởng nucleon này. Thí nghiệm được thực hiện tại Cơ sở Máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục (CEBAF) đẳng cấp thế giới của Phòng thí nghiệm Jefferson. CEBAF là cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE hỗ trợ nghiên cứu của hơn 1,800 nhà vật lý hạt nhân trên toàn thế giới. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters (“Phép đo đầu tiên của số π độc quyền cứng-Δ++ Sự bất đối xứng của chùm tia-spin sản sinh ra khỏi Proton”). Trưởng nhóm phân tích Stefan Diehl cho biết công trình của nhóm đã làm sáng tỏ các tính chất cơ bản của cộng hưởng nucleon. Diehl, là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và lãnh đạo dự án tại Viện Vật lý số 2 tại JLU Giessen và là giáo sư nghiên cứu tại Đại học Connecticut. Ông cho biết công trình này cũng truyền cảm hứng cho những nghiên cứu mới về cấu trúc 3D của proton cộng hưởng và quá trình kích thích. Diehl nói: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có một số phép đo, một số quan sát nhạy cảm với các đặc điểm 3D của trạng thái kích thích như vậy”. “Về nguyên tắc, đây mới chỉ là bước khởi đầu và phép đo này đang mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới”.

Bí ẩn về cách vật chất hình thành

Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm B năm 2018-2019 bằng máy dò CLAS12 của Jefferson Lab. Một chùm electron năng lượng cao được đưa vào buồng chứa khí hydro đã nguội. Các electron tác động vào proton của mục tiêu để kích thích các quark bên trong và tạo ra sự cộng hưởng nucleon kết hợp với trạng thái quark-phản quark – hay còn gọi là meson. Sự kích thích chỉ thoáng qua nhưng chúng để lại bằng chứng về sự tồn tại của chúng dưới dạng các hạt mới được tạo ra từ năng lượng của các hạt bị kích thích khi nó tiêu tán đi. Những hạt mới này sống đủ lâu để máy dò bắt được chúng, nhờ đó nhóm nghiên cứu có thể tái tạo lại sự cộng hưởng. Diehl và những người khác sẽ thảo luận về kết quả của họ trong khuôn khổ hội thảo chung về “Khám phá cấu trúc cộng hưởng với GPD chuyển tiếp” từ ngày 21 đến ngày 25 tháng XNUMX tại Trento, Ý. Nghiên cứu này đã truyền cảm hứng cho hai nhóm lý thuyết xuất bản các bài báo về công trình này. Nhóm cũng lên kế hoạch cho nhiều thí nghiệm hơn tại Phòng thí nghiệm Jefferson sử dụng các mục tiêu và sự phân cực khác nhau. Bằng cách tán xạ các electron từ các proton phân cực, chúng có thể tiếp cận các đặc tính khác nhau của quá trình tán xạ. Ngoài ra, việc nghiên cứu các quá trình tương tự, chẳng hạn như sự tạo ra cộng hưởng khi kết hợp với một photon mang năng lượng, có thể cung cấp thêm thông tin quan trọng. Thông qua những thí nghiệm như vậy, Diehl cho biết, các nhà vật lý có thể tìm ra các đặc tính của vũ trụ sơ khai sau Vụ nổ lớn. Diehl nói: “Ban đầu, vũ trụ sơ khai chỉ có một số plasma bao gồm các quark và gluon, tất cả đều quay xung quanh vì năng lượng quá cao”. “Sau đó, tại một thời điểm nào đó, vật chất bắt đầu hình thành và thứ đầu tiên hình thành là trạng thái nucleon bị kích thích. Khi vũ trụ giãn nở hơn nữa, nó nguội đi và các nucleon ở trạng thái cơ bản xuất hiện. “Với những nghiên cứu này, chúng ta có thể tìm hiểu về đặc điểm của những cộng hưởng này. Và điều này sẽ cho chúng ta biết nhiều điều về cách vật chất được hình thành trong vũ trụ và tại sao vũ trụ tồn tại ở dạng hiện tại.”