Dawno minęły czasy, w których fizycy uznawali atomy za najmniejsze i niepodzielne składniki materii. Po tym jak naukowcy ustalili, że i atom składa się z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów, kolejnym krokiem stało się ustalenie, z czego składają się tworzące jądro atomowe protony i neutrony. Od jakiegoś czasu wiemy już, że protony składają się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, a neutrony z dwóch dolnych i jednego górnego. Myliłby się jednak ten, kto by założył, że we wnętrzu każdego neutronu mamy po prostu uporządkowaną trójkę kwarków i nic więcej.
Wszystko bowiem wskazuje na to, że wnętrze protonów i neutronów bardziej przypominają istne burze cząstek, w których mamy zarówno kwarki, jak i antykwarki, które na dodatek bezustannie pojawiają się i znikają.
Czytaj także: Długość życia neutronów podzieliła naukowców. Uzyskane wyniki wskazują na istnienie nieznanego stanu
Aby dotknąć tego swoistego kotła cząstek subatomowych i pozyskać o nich nowe informacje, fizycy zwykle bombardowali protony i neutrony elektronami, a następnie patrzeli, jak zachowują się elektrony po takim zderzeniu. Sposób, w jaki rozpraszały się one po zderzeniu, pozwalał ustalić, co się dzieje we wnętrzu nukleonu.
W ten sposób naukowcom udało się już nie tylko ujawnić wewnętrzną strukturę protonów, ale nawet rozwiązać problem rozbieżności ich masy i rozmiarów. Co jednak ciekawe, dokonanie tego samego z neutronami okazało się znacznie trudniejsze. Wynika to z tego, że elektrony odbijające się od neutronu odchylają się w taki sposób, że wykorzystywany przez naukowców sprzęt nie może ich obserwować.
Dane zebrane przez Central Neutron Detector w Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) w amerykańskim Departamencie Energii mają teraz pomóc naukowcom w badaniu skomplikowanej dynamiki kwantowej neutronów.
Pierwsze próby eksperymentalne tego urządzenia odbyły się już w 2019 i 2020 r. Badania jednak napotykały na liczne wyzwania. Dopiero opracowanie odpowiednich filtrów uczenia maszynowego do oczyszczania danych z zanieczyszczeń np. przypadkowymi protonami, umożliwiło zastosowanie danych w teoretycznych modelach wnętrza neutronów.
Czytaj także: Perowskit wrażliwy na neutrony jako czujnik promieniowania jądrowego
Badania wykorzystujące te dane pomogło nam udoskonalić naszą wiedzę na temat tzw. uogólnionego rozkładu partonów (GPD) E. Porównując wyniki eksperymentów z istniejącymi danymi na temat protonów, naukowcy zidentyfikowali znaczące różnice w zachowaniu kwarków. W ten sposób udało się udoskonalić modele matematyczne GPD E.
W ramach kolejnych, zaplanowanych już eksperymentów naukowcy planują zaglądać do wnętrza protonów i neutronów. Istnieje bowiem nadzieja na to, że badania tego typu odsłonią nam nowe procesy kwantowe. Mówiąc inaczej, im więcej będziemy wiedzieli o tym, co się dzieje we wnętrzu tych cząstek, tym lepiej będziemy rozumieli naturę materii, która nie tylko nas otacza, ale także którą my sami jesteśmy.