Dla naukowców badających materię w ekstremalnych energiach zrozumienie, w jaki sposób duże rdzenie atomowe, takie jak ołów, rozpadają się, gdy przechodzą blisko siebie – w rzeczywistości zderzają się – jest niezbędnym sposobem na poznanie sił rządzących wszechświatem. Te rzadkie interakcje, w których atomy ołowiowe wpływają na siebie przez ich potężne pola elektryczne, stanowią wyjątkową okazję do obserwowania, w jaki sposób energia z cząstek światła zwanych fotonami może zakłócać struktury atomowe. Naukowcy postanowili dokładniej zbadać, w jaki sposób protony, które są dodatnio naładowanymi cząsteczkami występującymi w jądrze, są uwalniane podczas tego procesu, w celu poprawy modeli opisujących takie interakcje i pomaganie w opracowaniu przyszłych obiektów badawczych, takich jak kolider elektron-jon, maszyna nowej generacji do badania jąder atomowych.
Pod parasolem Alice Collaboration, zespół badawczy współpracujący z dużym eksperymentem jonowym, główną inicjatywą fizyki cząstek w Europejskiej Organizacji Badań Nuklearnych, zebrał dane przy użyciu zaawansowanych systemów wykrywania eksperymentu na największym na świecie akceleratorze cząstek, znanym jako duży zderzak hadronowy. Przeprowadzili pierwsze szczegółowe badanie zdarzeń, w których protony były emitowane obok neutronów, które są cząsteczkami neutralnymi, znajdującymi się również w jądrze atomowym, gdy atomy ołowiu minęły blisko siebie z dużą prędkością. Ich ustalenia, opublikowane w Physical Review C, opisywały, w jaki sposób zwolniono różne kombinacje cząstek i porównano te obserwacje z prognozami dokonanymi szeroko stosowanym narzędziem symulacyjnym znanym jako relatywistyczny model dysocjacji elektromagnetycznej, który szacuje, w jaki sposób jądra atomowe rozkładają się pod wpływem sił elektrycznych.
Przez większość czasu te zdarzenia z przerwami nie spowodowały emisji protonów, potwierdzając, że takie wyniki są stosunkowo rzadkie. Jednak po emitowaniu protonów wzorce były wyraźnie obserwowalne. Zespół stwierdził, że model ściśle dopasowany zaobserwowane zdarzenia, w których nie emitowano żadnych protonów ani wielu protonów. Niemniej jednak wydawało się nie doceniać częstotliwości zdarzeń z udziałem jednego lub dwóch protonów. Naukowcy przeanalizowali również przypadki, w których pojedynczy proton został emitowany razem z jednym, dwoma lub trzema neutronami i odkryli, że model ten miał tendencję do przeceniania częstotliwości takich zdarzeń.
Być może co najważniejsze, sposób, w jaki emitowano te cząsteczki, wydawało się, że dostosowuje się do tworzenia nowych form pierwiastków chemicznych. Kiedy uwolniono tylko neutrony, powstały różne wersje ołowiu, zwane izotopami. Gdy emitowano jednego lub więcej protonów, powstałe elementy obejmowały Thalum, rtęć i złoto. Odkrycia te pomagają naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób elementy atomów są przemieszczane podczas tych interakcji i jakie rodzaje nowych materii mogą się pojawić. Jak wyjaśnił dr Acharya: „Model relatywistycznego elektromagnetycznego dysocjacji sugeruje, że te emisje protonowe i neutronowe są powiązane z produkcją elementów takich jak Thalum i Gold, które teraz obserwujemy z większą jasnością”.
Za pomocą bardzo wrażliwych detektorów ustawionych w celu wychwytywania cząstek poruszających się pod stromymi kątami, zespół mierzył zarówno protony, jak i neutrony z dużą dokładnością. Detektory specjalnie zaprojektowane do pomiaru protonów zostały wyrównane bezpośrednio ze ścieżką wiązki atomu ołowiu, podczas gdy inne były używane do wykrywania neutronów. Naukowcy zastosowali staranną metodę statystyczną – wykorzystując wzorce i prawdopodobieństwa zebranych danych – do interpretacji odczytów energii z tych urządzeń. Takie podejście umożliwiło im zidentyfikowanie zdarzeń związanych z ich badaniem. Dokonali również niezbędnych dostosowań do analizy, aby uwzględnić cząstki, które mogły zostać niewykryte lub zostały błędnie zidentyfikowane. Ponieważ protony traci więcej energii i podróżują inaczej niż neutrony, ta część badań była szczególnie ważna.
Odkrycia te zwiększają nasze zrozumienie, w jaki sposób duże struktury atomowe rozpadają się, gdy wpływa na pola elektryczne pobliskich atomów. Jednocześnie badanie kwestionuje części relatywistycznego modelu dysocjacji elektromagnetycznej, pokazując, że chociaż pozostaje ono cennym narzędziem, konieczne są ulepszenia. Jak zauważył dr Acharya: „Wyniki te służą jako punkt odniesienia dla modeli teoretycznych i wspierają projekt przyszłych obiektów, w których zrozumienie takich procesów dysocjacji jest niezbędne”.
Patrząc na większy obraz, badania te łączą dane eksperymentalne z prognozami dokonanymi symulacjami komputerowymi, które są modelami cyfrowymi używanymi do replikacji zjawisk fizycznych. Praca grupy eksperymentów dużej zderzaku jonowego oznacza znaczący postęp w naukach nuklearnych. Zapewnia to wyraźniejsze zrozumienie, w jaki sposób atomy ołowiu zachowują się w ekstremalnych warunkach i rzuca światło na sposób, w jaki komponenty atomowe są zmontowane w nowe materiały w przestrzeni kosmicznej, jak i laboratoryjnej.
Referencje dziennika
S. Acharya i in., „Emisja protonu w ultraperipheralnych kolizjach PB-PB przy √snn = 5,02 Tev”, Physical Review C, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/physrevc.111.054906
O autorach
Alice (Duży eksperyment jonowy) Współpraca to główna międzynarodowa grupa badawcza z siedzibą w Europejskiej Organizacji Badań Nuklearnych (CERN). Koncentruje się na badaniu zachowania materii w ekstremalnych warunkach, zwłaszcza właściwości osocza z kwarków-gluonowej-o stanie materii istniał tuż po Wielkim Wybuchu. Korzystając z potężnych zderzeń cząstek generowanych przez dużego zderzacza hadronowego, Alice bada, w jaki sposób jądra atomowe rozpada się i reformuje, gdy jest narażona na niezwykle wysokie temperatury i gęstości energii. Współpraca obejmuje setki naukowców i inżynierów z instytucji na całym świecie, którzy pracują razem nad zbadaniem podstawowych elementów składowych wszechświata. Zaawansowane systemy wykrywania Alice są specjalnie zaprojektowane do analizy zderzeń jonowych, takich jak te obejmujące jądra ołowiowe, zapewniając wgląd w silną siłę, która łączy protony i neutrony. Projekt odgrywa istotną rolę w rozwoju naszego zrozumienia fizyki jądrowej i wczesnego wszechświata.
