W teorii mogłoby się wydawać, że odtworzenie wszystkich właściwości jąder atomowych z wykorzystaniem jedynie kwarków i gluonów nie powinno stanowić wielkiego wyzwania. Praktyka pokazała jednak coś zgoła odmiennego, a do przełomu – co cieszy szczególnie – doprowadzili naukowcy z naszego kraju. Wsparcia udzielili im badacze z zagranicy, a opis ich wspólnych działań został zamieszczony na łamach Physical Review Letters.
Czytaj też: Co się dzieje w czasie podziału atomu? Fizycy znają już odpowiedź
Pomysł, w ramach którego miałoby się dać ukazać wewnętrzną strukturę protonów i neutronów, sięga lat 60. ubiegłego wieku. Zakładano wtedy, że do realizacji tego celu będą potrzebne bardzo wysokie energie. Fizycy sądzili, iż w takich okolicznościach możliwe będzie zidentyfikowanie kwarków utrzymywanych w miejscu przez gluony. Zdecydowanie większym wyzwaniem taki wyczyn miał być w sytuacji, gdy w jądrach atomowych widoczne są tylko protony i neutrony – przy znacznie niższych energiach.
Do przełomu doprowadzili polscy naukowcy będący częścią projektu nCTEQ. Jak wyjaśnił Aleksander Kusina z Instytutu Fizyki Jądrowej, dotychczas wyróżniało się dwa równoległe opisy jąder atomowych. Jeden opiera się na protonach i neutronach obserwowanych przy niskich energiach. Z kolei drugi bazuje na kwarkach i gluonach, wymagając prz tym wysokich energii. Nowe badania są rewolucyjne, gdyż umożliwiły połączenie obu tych koncepcji.
Obserwacje jądra atomowe prowadzone przez polskich fizyków stanowiły połączenie dwóch różnych podejść
Aby zgłębiać sekrety jąder atomowych fizycy prowadzą zderzenia z mniejszymi cząsteczkami. Konsekwencje takich kolizji są tym, co interesuje ich najbardziej. Dzięki temu dowiedzieli się między innymi, że kiedy elektrony mają stosunkowo niskie energie, to jądra atomowe zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów. Do grona tych ostatnich zalicza się protony i neutrony. Z kolei wysokie energie sprawiają, że widoczne stają się kwarki i gluony obecne wewnątrz jąder atomowych.
Ale wiedza to jedno: potrzeba było jeszcze sposobu na połączenie obu koncepcji, co udało się dopiero niedawno. Efekt okazał się piorunujący. Na potrzeby eksperymentów członkowie zespołu badawczego wykorzystali dane dotyczące wysokoenergetycznych zderzeń, między innymi w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Zastosowali tzw. funkcje rozkładu partonów, aby określić szereg parametrów, takich jak prawdopodobieństwo powstania określonej cząstki w zderzeniu elektronu lub protonu z jądrem.
Czytaj też: To najbardziej zagadkowa cząstka w fizyce. Za jej badanie zabrał się Wielki Zderzacz Hadronów
W ostatecznym rozrachunku nasi rodacy przyczynili się do określenia funkcji rozkładu partonów dla 18 jąder atomowych, wraz z rozkładem partonów w skorelowanych parach nukleonów czy też liczbą owych par. Tym sposobem autorzy badań potwierdzili, że większość skorelowanych par tworzy się na linii proton-neutron. Jest to szczególnie zaskakujące w odniesieniu do ciężkich jąder pokroju złota.