- Kolaborasi ATLAS menemukan struktur internal nukleon di tepi dan pusat inti atom berbeda.
- Distribusi momentum kuark dan gluon di dalam nukleon berubah karena perbedaan posisi.
- Peneliti mengungkap misteri fungsi distribusi bagian nukleus melalui tabrakan ion timbal.
- Uji statistik menunjukkan perbedaan distribusi signifikan antara nukleon di tepi dan pusat inti.
Peneliti kolaborasi ATLAS di CERN, Swiss, menemukan asal mula pengamatan yang dilakukan lebih dari 40 tahun lalu. Saat menganalisis data eksperimen tahun 2018, para ilmuwan menemukan bahwa nukleon di tepi inti atom memiliki struktur internal yang berbeda dengan nukleon di pusatnya. Bagi kebanyakan orang, atom adalah bagian terkecil dan tidak terbagi dari unsur kimia. Namun, bagi fisikawan nuklir, atom adalah unit terbesar yang biasanya mereka pertimbangkan, dan merupakan kumpulan kompleks partikel subatom yang melampaui proton, neutron, dan elektron, bertujuan memahami sifat dan perilaku komponen-komponen tersebut.
Perubahan Struktur Internal Nukleon
Pengamatan sebelumnya terhadap nukleon, yaitu proton dan neutron di dalam inti atom, menunjukkan bahwa distribusi momentum kuark dan gluon di dalamnya berubah karena perbedaan posisi. Pengamatan ini pertama kali dikemukakan oleh European Muon Collaboration (EMC) pada 1982, kelompok eksperimen lain di CERN. Namun, penyebab pengamatan ini tetap sulit ditangkap. Pengamatan ini disebut fungsi distribusi bagian nukleus (nuclear PDFs atau nPDFs), yang mengejutkan karena energi yang diperlukan untuk mengikat nukleon di dalam inti atom sangat kecil dibandingkan energi yang dibutuhkan untuk mengurai struktur internalnya.
Peneliti kolaborasi ATLAS menggunakan tabrakan ion timbal ultra-perifer untuk mengungkap misteri ini. Dalam tabrakan ini, ion tidak bertemu secara frontal, melainkan mendekati satu sama lain tanpa tumpang tindih, berinteraksi melalui medan elektromagnetiknya. Dalam beberapa tabrakan, foton yang dipancarkan oleh satu inti memukul inti lain, menghasilkan aliran partikel sempit, memungkinkan kita mempelajari parton di dalam inti lebih lanjut. Biasanya interaksi ini menghancurkan inti dan melepaskan neutron 'forward' yang dapat dideteksi oleh Zero Degree Calorimeter (ZDC) eksperimen ATLAS. Dalam interaksi ini, dalam sebagian kecil kasus, foton mungkin tidak menghancurkan inti, melainkan hanya memukul satu nukleon, sehingga tidak menghasilkan neutron 'forward'.
Peneliti menggunakan data tabrakan ion timbal tahun 2018, dengan luminositas keseluruhan 1.72 nb⁻¹.
Metode Identifikasi nPDFs
Bagaimana mengidentifikasi nPDFs? Untuk menemukan peristiwa langka di mana foton hanya memukul satu nukleon, peneliti memilih tabrakan yang menghasilkan setidaknya dua jet tetapi hampir tidak memiliki aktivitas tambahan di ZDC. Kemudian, mereka membagi tabrakan ini menjadi dua kategori: tabrakan yang mengandung neutron forward (diberi label 0nXn), dan tabrakan perifer tanpa neutron forward (diberi label 0n0n). Dalam tabrakan yang mengandung, nukleon yang dipukul kemungkinan berada lebih dalam di inti, sedangkan dalam tabrakan perifer, lebih mungkin berada di tepi inti. Melalui pengukuran jet yang diamati, peneliti menetapkan variabel proxy untuk kinematika parton.
X+ adalah salah satu variabel tersebut, membantu memperkirakan proporsi momentum nukleon yang dibawa oleh parton yang dipukul. Dengan membandingkan distribusi x+ dari dua jenis peristiwa, peneliti mencari identifikasi perubahan PDF. Mereka memperhatikan kemiringan yang jelas saat membandingkan tabrakan yang mengandung dan tabrakan perifer, yang menunjukkan adanya perbedaan nPDFs mereka. Untuk menentukan apakah perbedaan ini signifikan secara statistik, tim melakukan uji statistik, mengonfirmasi bahwa nukleon di tepi inti memiliki distribusi parton yang berbeda dengan nukleon di pusatnya, menurut laporan siaran pers.
Bagaimana Penelitian ATLAS Mengubah Pemahaman Fisika Nuklir
Temuan kolaborasi ATLAS memiliki arti penting bagi fisika nuklir, karena menantang pemahaman fundamental kita tentang struktur internal inti atom. Penelitian sebelumnya berfokus pada perilaku keseluruhan nukleon, sedangkan penelitian ini mengungkapkan pengaruh posisi terhadap struktur internal nukleon, memberikan perspektif baru untuk memahami interaksi antar nukleon. Selain itu, inovasi teknis penelitian ini, terutama penerapannya dalam eksperimen tabrakan, mungkin membuka arah baru untuk penelitian fisika nuklir masa depan, mendorong eksplorasi lebih dalam perilaku partikel subatom.