- Die ATLAS Collaboration entdeckt, dass Nukleonen am Atomkernrand und im Zentrum unterschiedliche innere Strukturen haben.
- Die Impulsverteilung von Quarks und Gluonen im Nukleon ändert sich je nach Position.
- Forschende entschlüsseln das Rätsel der kernären Parton-Verteilungsfunktionen durch Blei-Ionen-Kollisionen.
- Statistische Tests zeigen signifikante Verteilungsunterschiede zwischen Rand- und Zentrumnukleonen.
Forschende der ATLAS Collaboration am schweizerischen CERN haben den Ursprung einer Beobachtung ausfindig gemacht, die mehr als 40 Jahre zurückliegt. Bei der Analyse von Experimentdaten aus dem Jahr 2018 stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fest, dass Nukleonen am Rand eines Atomkerns eine andere innere Struktur aufweisen als solche im Zentrum. Für die meisten Menschen ist das Atom der kleinste und unteilbare Bestandteil eines chemischen Elements. Für Kernphysikerinnen und Kernphysiker hingegen ist das Atom die größte Einheit, die sie üblicherweise betrachten, und ein komplexes Ensemble aus subatomaren Teilchen, das über Protonen, Neutronen und Elektronen hinausgeht, um die Natur und das Verhalten dieser Komponenten zu verstehen.
Veränderungen der inneren Struktur von Nukleonen
Frühere Beobachtungen von Nukleonen, also den im Atomkern befindlichen Protonen und Neutronen, zeigten, dass die Impulsverteilung der Quarks und Gluonen in ihrem Innern aufgrund ihrer Position variiert. Diese Beobachtung wurde 1982 erstmals von der European Muon Collaboration (EMC) gemacht, einer weiteren Experimentiergruppe am CERN. Der Grund für diese Beobachtung blieb jedoch unklar. Sie wird als kernare Parton-Verteilungsfunktionen (nuclear PDFs oder nPDFs) bezeichnet; das Erstaunliche daran ist, dass die Energie, die nötig ist, um Nukleonen im Kern zu binden, im Vergleich zur Energie, die zur Auflösung ihrer inneren Struktur erforderlich ist, vernachlässigbar klein ist.
Forschende der ATLAS Collaboration gingen diesem Rätsel mithilfe ultraperipherer Blei-Ionen-Kollisionen auf den Grund. Bei diesen Kollisionen treffen die Ionen nicht frontal aufeinander, sondern nähern sich einander an, ohne sich zu überlagern, und wechselwirken über ihre elektromagnetischen Felder. Bei manchen Kollisionen trifft ein von einem Kern emittiertes Photon den anderen Kern und erzeugt enge Teilchenstrahlen, die eine weitere Untersuchung der Partonen im Kern ermöglichen. Üblicherweise zerstören diese Wechselwirkungen den Kern und setzen «vorwärts» gerichtete Neutronen frei, die vom Zero Degree Calorimeter (ZDC) des ATLAS-Experiments detektiert werden können. In einem geringen Teil dieser Wechselwirkungen kann das Photon jedoch den Kern intakt lassen und lediglich ein einzelnes Nukleon treffen, sodass keine «vorwärts» gerichteten Neutronen entstehen.
Die Forschenden nutzten Daten von Blei-Ionen-Kollisionen aus dem Jahr 2018 mit einer integrierten Luminosität von 1.72 nb⁻¹.
Methode zur Identifizierung von nPDFs
Wie lassen sich nPDFs identifizieren? Um die seltenen Ereignisse zu finden, bei denen ein Photon lediglich ein einzelnes Nukleon trifft, wählten die Forschenden Kollisionen aus, die mindestens zwei Jets erzeugten, aber im ZDC kaum zusätzliche Aktivität zeigten. Anschließend unterteilten sie diese Kollisionen in zwei Kategorien: solche mit vorwärts gerichteten Neutronen (bezeichnet als 0nXn) und periphere Kollisionen ohne vorwärts gerichtete Neutronen (bezeichnet als 0n0n). Bei Kollisionen der ersten Kategorie befindet sich das getroffene Nukleon möglicherweise tiefer im Kern, bei peripheren Kollisionen eher am Kernrand. Anhand der Messung der beobachteten Jets ordneten die Forschenden Stellvertretervariablen für die Kinematik der Partonen zu.
X+ ist eine dieser Variablen und hilft, den Anteil des Nukleon-Impulses abzuschätzen, den das getroffene Parton trägt. Durch den Vergleich der x+-Verteilungen der beiden Ereignisklassen suchten die Forschenden nach Veränderungen der PDFs. Sie bemerkten eine deutliche Steigung beim Vergleich von Kollisionen mit und ohne vorwärts gerichtete Neutronen, was auf Unterschiede in ihren nPDFs hindeutete. Um festzustellen, ob diese Unterschiede statistisch signifikant sind, führte das Team statistische Tests durch, die bestätigten, dass Nukleonen am Kernrand andere Parton-Verteilungen aufweisen als solche im Zentrum, wie die Pressemitteilung berichtet.
Wie die ATLAS-Forschung das Verständnis der Kernphysik verändert
Die Entdeckung der ATLAS Collaboration ist für die Kernphysik von großer Bedeutung, da sie unser grundlegendes Verständnis der inneren Struktur von Atomkernen in Frage stellt. Bisherige Forschungen konzentrierten sich hauptsächlich auf das Gesamtverhalten von Nukleonen, während die vorliegende Arbeit den Einfluss der Position auf die innere Struktur von Nukleonen aufdeckt und eine neue Perspektive für das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Nukleonen bietet. Darüber hinaus könnten die technischen Innovationen dieser Forschung, insbesondere ihre Anwendung in Kollisionsexperimenten, neue Richtungen für die zukünftige kernphysikalische Forschung eröffnen und die eingehende Erforschung des Verhaltens subatomarer Teilchen vorantreiben.