کوارک‌ها و گلوئون‌ها اکنون در انرژی‌های پایین قابل مشاهده هستند، دانشمندان فاش کردند

برای سال‌ها، دانشمندان معتقد بودند که ذرات بنیادی مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها که یک هسته اتمی را تشکیل می‌دهند، نمی‌توانند به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم شوند. با این حال، در سال‌های بعد، فیزیکدانان کوارک‌ها و گلوئون‌ها را کشف کردند.

در حالی که کوارک‌ها ذراتی هستند که با ترکیب شدن به شکل‌گیری پروتون‌ها و نوترون‌ها می‌پردازند، گلوئون‌ها به عنوان چسب عمل می‌کنند و کوارک‌ها را به هم متصل می‌کنند.

تا کنون، دانشمندان هسته‌های اتمی را با استفاده از دو مدل مطالعه کرده‌اند. در مدل اول، در انرژی‌های پایین مانند در اکثر آزمایش‌های هسته‌ای متداول، آنها هسته اتمی را به صورت پروتون‌ها و نوترون‌ها توصیف می‌کنند. این روش کلاسیکی از درک هسته است.

اما در انرژی‌های بالا مانند برخوردهای بسیار قدرتمند ذرات، پروتون‌ها و نوترون‌ها به کوارک‌ها و گلوئون‌ها تجزیه می‌شوند. بنابراین، دانشمندان برای توضیح هسته از مدل‌های کوارک-گلوئون استفاده می‌کنند.

برای سال‌ها، دانشمندان در تلاش بوده‌اند که دو مدل را به هم متصل کنند. در نهایت، تیمی از محققان از مؤسسه فیزیک هسته‌ای آکادمی علوم لهستان (IFJ-PAN) این شاهکار را انجام داده‌اند. آنها مدلی از هسته اتمی را توسعه داده‌اند که تعاملات کوارک-گلوئون را در انرژی‌های پایین نشان می‌دهد.

"تا کنون، دو توصیف موازی از هسته‌های اتمی وجود داشته است، یکی مبتنی بر پروتون‌ها و نوترون‌هایی که در انرژی‌های پایین قابل مشاهده هستند، و دیگری در انرژی‌های بالا مبتنی بر کوارک‌ها و گلوئون‌ها. در کار ما، موفق شده‌ایم این دو دنیای تا به حال جدا را به هم نزدیک کنیم،" دکتر الکساندر کوسینا، یکی از محققان، گفت.

اتصال دو مدل هسته اتمی

همان‌طور که نور به ما اجازه می‌دهد که چیزها را ببینیم، دانشمندان از ذرات باردار مانند الکترون‌ها برای مطالعه اینکه چه اتفاقی در داخل یک هسته اتمی رخ می‌دهد استفاده کرده‌اند. آنها الکترون‌ها را با هسته‌های اتمی برخورد می‌دهند و تعاملاتی را مطالعه می‌کنند که در انرژی‌های پایین وجود پروتون‌ها و نوترون‌ها را نشان می‌دهند، در حالی که در انرژی‌های بالا تعاملات کوارک-گلوئون را قابل مشاهده می‌سازند.

مدل کوارک-گلوئون به‌طور مؤثری هسته‌های اتمی را در انرژی‌های بالا توصیف می‌کند. با این حال، مشکل این است که نتایج آن با آنچه در آزمایش‌های انرژی پایین مشاهده می‌شود، که در آن‌ها فقط پروتون‌ها و نوترون‌ها قابل مشاهده هستند، سازگاری ندارد.

برای غلبه بر این چالش، محققان داده‌هایی را از آزمایش‌های برخورد انرژی بالا جمع‌آوری و بررسی کردند که با استفاده از برخورددهنده‌ی بزرگ هادرون در CERN انجام شده‌اند. آنها به دنبال توابع توزیع پارتون (PDF ها) بودند، مقادیر عددی که توضیح می‌دهند توزیع کوارک‌ها و گلوئون‌ها داخل پروتون‌ها و نوترون‌های یک هسته اتمی در انرژی‌های بالا چگونه است.

"با استفاده از توابع PDF برای هسته اتمی، می‌توان پارامترهای قابل اندازه‌گیری آزمایشگاهی را تعیین کرد، مانند احتمال ایجاد یک ذره خاص در یک برخورد الکترون یا پروتون با هسته،" محققان گفتند.

با استفاده از روش PDF، آنها توانستند توزیع کوارک‌ها، گلوئون‌ها و جفت‌های نوکلئون هم‌بسته را در ۱۸ هسته اتمی درک کنند. اما آنها دریافتند که در میان نوکلئون‌هایی که می‌توانند به صورت پروتون-پروتون، پروتون-نوترون و نوترون-نوترون باشند — جفت‌های پروتون-نوترون رایج‌ترین جفت‌های هم‌بسته بودند.

حتی شگفت‌آورتر این است که این نتیجه با آنچه در آزمایش‌های انرژی پایین مشاهده می‌شود، به‌ویژه آن‌هایی که شامل هسته‌های سنگینی مانند سرب یا طلا است، که حضور غالب جفت‌های پروتون-نوترون را نیز نشان می‌دهد، همخوانی دارد.

این یافته برای اولین بار مدل‌های هسته‌های اتمی در انرژی‌های پایین و بالا را بر روی یک صفحه قرار می‌دهد. نشان می‌دهد که علاوه بر پروتون‌ها و نوترون‌ها، تعاملات کوارک و گلوئون نیز می‌توانند ویژگی‌های یک هسته اتمی را حتی در انرژی‌های پایین توضیح دهند.

این به درک بهتر ساختار هسته اتمی منجر می‌شود و جوانب انرژی بالا و پایین آن را یکپارچه می‌کند، محققان یادداشت می‌کنند.

مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.