La Jefferson Lab Hall Una collaborazione, in un esperimento condotto dai ricercatori della Faculté des Sciences de Monastir in Tunisia, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay in Francia e Old Dominion University negli Stati Uniti, ha recentemente raccolto le prime osservazioni sperimentali dello scattering Compton profondamente virtuale (DVCS) nei neutroni. Il loro esperimento, i cui risultati sono stati pubblicati in Fisica della natura , è stato motivato da distribuzioni partoni generalizzate (GPD), un quadro teorico di recente sviluppo che descrive la dinamica interna del nucleone (protone o neutrone) in termini di quark e gluoni. DVCS è il processo più semplice che coinvolge i GPD. Consiste nella dispersione di un elettrone da un nucleone e nell'emissione di un fotone ad alta energia mentre il nucleone rimane intatto.

"Protoni e neutroni sono costituiti da onde di quark e gluoni confinati in uno spazio di circa 100, 000 volte più piccolo della dimensione di un atomo, "Prof. Charles Hyde, un ricercatore presso la Old Dominion University in Virginia, ha detto a Phys.org. "Questo articolo, derivante dal lavoro nella sala A del Jefferson Lab, può essere descritto come colpire un protone o un neutrone con un elettrone ad alta energia, e poi rilevare un raggio gamma emesso per "fare una foto" delle onde di quark".

Nel loro lavoro, Hyde e i suoi colleghi hanno dimostrato una nuova tecnica per risolvere separatamente la distribuzione spaziale dei quark up e down di particolari lunghezze d'onda (cioè, distanza cresta-cresta), misurando anche l'offset tra le creste d'onda dei quark up e down. Utilizzando questa tecnica, sono stati in grado di raccogliere la prima osservazione sperimentale di DVCS nei neutroni.

"Lo studio della diffusione Compton virtuale (DVCS) sul neutrone è stata una naturale estensione degli studi sul protone, "Dott. Carlos Munoz Camacho, ricercatore presso l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay in Francia, ha detto a Phys.org. "DVCS può parlarci della posizione trasversale e del momento longitudinale dei quark all'interno del nucleone. Tuttavia, Gli esperimenti DVCS sul solo protone non possono dire da quale sapore di quark si disperde il fotone".

Poiché nessun bersaglio di neutroni è completamente puro, studiare sperimentalmente DVCS al largo del neutrone può essere molto impegnativo. Eseguendo DVCS dal neutrone e combinando i risultati con quelli raccolti in precedenti esperimenti sui protoni, i ricercatori sono stati in grado di mappare la posizione ei momenti dei quark up e down all'interno del nucleone in modo indipendente.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno deciso di utilizzare un bersaglio al deuterio, un nucleo formato da un protone e un neutrone, urtato da un fascio di elettroni polarizzati da 6GeV. Questo raggio è stato fornito dal Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) a Newport News, Virginia.

"Abbiamo misurato gli elettroni dispersi e i fotoni energetici emessi durante la reazione utilizzando rivelatori ad alta precisione, "Dott. Meriem Benali, che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. dalla Faculté des Sciences de Monastir in Tunisia, ha detto a Phys.org. "Il neutrone di rinculo è stato identificato utilizzando una tecnica chiamata conservazione dell'energia-impulso".

I ricercatori hanno confrontato i dati raccolti nel loro esperimento sul nucleo di deuterio con i dati raccolti in passato utilizzando bersagli di idrogeno (cioè, un nucleo con un solo protone). Ciò ha permesso loro di identificare rari eventi DVCS che si verificano nei neutroni, determinando separatamente i contributi dei quark up e down.

"I nostri risultati dimostrano la fattibilità sperimentale delle misurazioni DVCS di neutroni, che sono altamente complementari a quelli protonici, "Dottor Malek Mazouz, professore alla Faculté des Sciences de Monastir in Tunisia, ha detto a Phys.org. "Dal momento che il neutrone ha un contenuto di sapore di quark diverso rispetto al protone, la combinazione di misurazioni di neutroni e protoni ci ha permesso, per la prima volta, per studiare sperimentalmente i GPD a livello di quark."

DVCS è un processo difficile da misurare, soprattutto da un neutrone. Poiché un neutrone non ha carica elettrica netta, la sua probabilità di interagire con gli elettroni è molto più piccola di quella di un protone.

La cosiddetta collaborazione A è stata resa possibile da diversi progressi tecnici, compreso l'intenso fascio di elettroni fornito da JLab e rivelatori ad alta precisione. Per garantirne il successo, i ricercatori hanno monitorato la calibrazione dei rivelatori con estrema cura durante i diversi mesi in cui si è svolto il loro esperimento.

"Protoni e neutroni sono come trottole, "Hyde ha detto. "Un risultato sorprendente del nostro studio è che utilizzando l'intera gamma di energia dell'acceleratore Jefferson Lab, le misurazioni potrebbero anche distinguere come la distribuzione dei quark nel protone e nel neutrone cambia con l'orientamento dello spin del protone o del neutrone".

Questo team di ricercatori è stato il primo ad osservare con successo il processo DVCS al largo del neutrone, che è un traguardo importante. Aggiungendo una serie di vincoli ai modelli GPD, le loro scoperte potrebbero aiutare a rispondere a una serie di domande fondamentali, per esempio svelando l'origine dello spin del nucleone. Inoltre, il loro lavoro apre una nuova strada per la mappatura sperimentale di sapori di quark indipendenti all'interno di un nucleone.

"L'impianto dell'acceleratore presso JLab è stato recentemente aggiornato e l'energia del fascio di elettroni è molto più alta (11 GeV), " Munoz Camacho ha detto. "Nuovi esperimenti DVCS sono in corso e pianificati per il futuro, che ci permetterà di mappare con maggiore precisione le distribuzioni dei quark all'interno del nucleone. Le misurazioni DVCS sono anche una delle motivazioni scientifiche per il futuro progetto Electron-Ion Collider (EIC), progettato per essere costruito al Brookhaven National Laboratory (NY, NOI.)."

Il nuovo collisore del Brookhaven National Laboratory dovrebbe presto consentire ai ricercatori di studiare la posizione e la distribuzione del momento dei gluoni, le particelle che tengono insieme i quark all'interno di protoni e neutroni. Infatti, l'imaging di quark e gluoni è una componente chiave del programma scientifico per lo sviluppo del nuovo collisore Electron-Ion, che è stato recentemente annunciato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

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