Nuove scoperte dai fisici nucleari sperimentali dell'Università del Kansas Daniel Tapia Takaki e Aleksandr (Sasha) Bylinkin sono state appena pubblicate nel European Physical Journal C . Il documento è incentrato sul lavoro al Compact Muon Solenoid, un esperimento al Large Hadron Collider, per comprendere meglio il comportamento dei gluoni.

I gluoni sono particelle elementari responsabili dell'"incollaggio" di quark e antiquark per formare protoni e neutroni, quindi, i gluoni svolgono un ruolo in circa il 98% di tutta la materia visibile nell'universo.

Precedenti esperimenti sul collisore elettrone-protone HERA, ora dismesso, scoperto quando i protoni vengono accelerati vicino alla velocità della luce, la densità dei gluoni al loro interno aumenta molto rapidamente.

"In questi casi, gluoni divisi in coppie di gluoni con energie inferiori, e tali gluoni si dividono successivamente, e così via, " disse Tapia Takaki, KU professore associato di fisica e astronomia. "Ad un certo punto, la scissione dei gluoni all'interno del protone raggiunge un limite al quale la moltiplicazione dei gluoni cessa di aumentare. Tale stato è noto come "condensato di vetro colorato, ' una fase ipotizzata della materia che si pensa esista nei protoni ad altissima energia e anche nei nuclei pesanti".

Il ricercatore della KU ha affermato che i risultati sperimentali più recenti del suo team presso il Relativistic Heavy Ion Collider e LHC sembrano confermare l'esistenza di un tale stato dominato da gluoni. Non sono ancora note le condizioni esatte e l'energia precisa necessaria per osservare la "saturazione dei gluoni" nel protone o nei nuclei pesanti, Egli ha detto.

"I risultati sperimentali del CMS sono molto entusiasmanti, dando nuove informazioni sulla dinamica dei gluoni nel protone, " disse Victor Goncalves, professore di fisica all'Università Federale di Pelotas in Brasile, che lavorava alla KU sotto un Brasile-U.S. Professore conferito congiuntamente dalla Sociedade Brasileira de Física e dall'American Physical Society. "I dati ci dicono quali sono le dimensioni dell'energia e del dipolo necessarie per approfondire il regime dominato dai gluonici in cui gli effetti QCD non lineari diventano dominanti".

Sebbene gli esperimenti all'LHC non studino direttamente l'interazione del protone con particelle elementari come quelle dell'ultimo collisore HERA, è possibile utilizzare un metodo alternativo per studiare la saturazione dei gluoni. Quando i protoni (o ioni) accelerati si perdono l'un l'altro, le interazioni dei fotoni avvengono con il protone (o lo ione). Questi quasi incidenti sono chiamati collisioni ultraperiferiche (UPC) poiché le interazioni dei fotoni si verificano principalmente quando le particelle in collisione sono significativamente separate l'una dall'altra.

"L'idea che la carica elettrica del protone o degli ioni, quando accelerato a velocità ultra-relativistiche, fornirà una fonte di fotoni quasi reali non è nuova, " Ha detto Tapia Takaki. "E' stato discusso per la prima volta da Enrico Fermi alla fine degli anni '20. Ma è solo dagli anni 2000 al collisore RHIC e più recentemente agli esperimenti LHC che questo metodo è stato pienamente sfruttato".

Il gruppo di Tapia Takaki ha svolto un ruolo significativo nello studio delle collisioni ultraperiferiche di ioni e protoni in due strumenti al Large Hadron Collider, prima presso la Collaborazione ALICE e più recentemente con il rilevatore CMS.

"Ora abbiamo una pletora di risultati interessanti sulle collisioni ultraperiferiche di ioni pesanti al Large Hadron Collider del CERN, " ha detto Bylinkin, ricercatore associato del gruppo. "La maggior parte dei risultati si è concentrata su sezioni trasversali integrate di mesoni vettoriali e, più recentemente, su misurazioni mediante getti e sullo studio della diffusione luce per luce. Per lo studio della produzione di mesoni vettoriali, ora stiamo facendo misurazioni sistematiche, non solo esplorativi. Siamo particolarmente interessati allo studio della dipendenza energetica del trasferimento di quantità di moto nella produzione di mesoni vettoriali poiché qui abbiamo l'opportunità unica di definire con precisione l'inizio della saturazione dei gluoni".

I ricercatori hanno affermato che il lavoro è significativo perché è la prima determinazione di quattro punti misurati in termini di energia dell'interazione fotone-protone e in funzione del trasferimento di quantità di moto.

"I precedenti esperimenti all'HERA avevano un solo punto di energia, " Tapia Takaki ha detto. "Per il nostro recente risultato, il punto più basso di energia è di circa 35 GeV e quello più alto è di circa 180 GeV. Questo non sembra un punto di energia molto alto, considerando che per le recenti misurazioni J/psi e Upsilon da UPC all'LHC abbiamo studiato processi fino ai 1000 GeV. Il punto chiave qui è che sebbene l'energia sia molto più bassa nei nostri studi Rho0, la dimensione del dipolo è molto grande."

Secondo i membri del team, molte domande rimangono senza risposta nella loro linea di ricerca per comprendere meglio la composizione di protoni e neutroni.

"Sappiamo che al collisore HERA c'erano già suggerimenti per effetti QCD non lineari, ma ci sono molte domande teoriche a cui non è stata data risposta come l'inizio della saturazione dei gluoni, e ci sono almeno due modelli principali di saturazione che non sappiamo ancora quale sia il più vicino a ciò che la natura dice che sia il protone, " ha affermato Goncalves. "Abbiamo utilizzato gli ultimi risultati della collaborazione CMS e li abbiamo confrontati con i modelli ispirati a QCD sia lineari che non lineari. abbiamo osservato, per la prima volta, che i dati CMS mostrano una chiara deviazione dal modello QCD lineare al loro punto di massima energia."