CERN ATLAS 合作組首次發現原子核內部結構的差異

นักวิจัยขององค์กร ATLAS 合作組織ที่ CERN ประเทศสวิสได้ค้นพบต้นกำเนิดของผลสังเกตการณ์ที่มีอายุมากกว่า 40 ปี เมื่อวิเคราะห์ข้อมูลจากการทดลองที่ดำเนินการในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์พบว่า นิวเคลิออนที่ตั้งอยู่ที่ขอบเขตของนิวเคลียสอะตอม มีโครงสร้างภายในที่แตกต่างจากนิวเคลิออนที่อยู่ตรงกลาง สำหรับคนส่วนใหญ่ อะตอมคือส่วนที่เล็กที่สุดและไม่สามารถแบ่งแยกได้ของธาตุเคมี อย่างไรก็ตาม สำหรับนักฟิสิกส์นิวเคลียร์ อะตอมคือหน่วยที่ใหญ่ที่สุดที่พวกเขามักพิจารณา และเป็นกลุ่มที่ซับซ้อนของอนุภาคย่อยอะตอม ที่เกินกว่าปรอตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน เพื่อเข้าใจลักษณะและพฤติกรรมขององค์ประกอบเหล่านี้

การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างภายในนิวเคลิออน

การสังเกตการณ์ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับนิวเคลิออน คือ ปรอตอนและนิวตรอนที่อยู่ภายในนิวเคลียสอะตอม แสดงให้เห็นว่า เนื่องจากตำแหน่งที่ตั้งที่แตกต่างกัน การกระจายของโมเมนตัมของควาร์กและกลูออนภายในก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย การสังเกตการณ์นี้ถูกเสนอครั้งแรกโดยองค์กร European Muon Collaboration (EMC) ในปี 1982 ซึ่งเป็นกลุ่มทดลองอีกกลุ่มหนึ่งของ CERN อย่างไรก็ตาม สาเหตุของการสังเกตการณ์นี้ยังคงลับลับอยู่ การสังเกตการณ์นี้เรียกว่าฟังก์ชันการกระจายส่วนประกอบนิวเคลียร์ (nuclear PDFs หรือ nPDFs) จุดที่น่าประหลาดใจคือ พลังงานที่จำเป็นในการผูกนิวเคลิออนไว้ในนิวเคลียส เปรียบเทียบกับพลังงานที่จำเป็นในการวิเคราะห์โครงสร้างภายในของมัน นั้นเป็นสิ่งน้อยนิดไม่มีนัยสำคัญ

นักวิจัยขององค์กร ATLAS 合作組織ได้ใช้การชนของไอออนตะกั่วแบบอัลตร้าพีเรียดจ์ (ultra-peripheral) เพื่อแก้ไขปริศนานี้ ในการชนเหล่านี้ ไอออนไม่ได้ชนกันหน้าตรงหน้า แต่เป็นการเข้าใกล้กันโดยไม่ทับซ้อนกัน ผ่านการมีปฏิสัมพันธ์ผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเอง ในบางการชน โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสหนึ่ง ชนเข้ากับนิวเคลียสอีกอันหนึ่ง สร้างกระแสอนุภาคแคบ ซึ่งทำให้เราสามารถศึกษาส่วนประกอบ (partons) ภายในนิวเคลียสได้ต่อไป ปกติแล้วการมีปฏิสัมพันธ์เหล่านี้จะทำลายล้างนิวเคลียส และปล่อย "นิวตรอนข้ามหน้า" (forward neutrons) ที่สามารถตรวจจับได้โดยเครื่องวัดองศาศูนย์ (Zero Degree Calorimeter หรือ ZDC) ของการทดลอง ATLAS ในการมีปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ ในบางกรณีที่น้อย โฟตอนอาจไม่ทำลายล้างนิวเคลียส แต่เพียงชนเข้ากับนิวเคลิออนเพียงตัวเดียว ดังนั้นจึงไม่เกิด "นิวตรอนข้ามหน้า" ขึ้น

นักวิจัยใช้ข้อมูลจากการชนของไอออนตะกั่วที่ดำเนินการในปี 2018 ซึ่งมีความสว่างรวม (integrated luminosity) อยู่ที่ 1.72 nb⁻¹

วิธีการระบุ nPDFs

จะระบุ nPDFs ได้อย่างไร? เพื่อค้นพบเหตุการณ์ที่หายากซึ่งโฟตอนชนเข้ากับนิวเคลิออนเพียงตัวเดียว นักวิจัยเลือกการชนที่สร้างเจ็ต (jets) อย่างน้อยสองตัว แต่มีกิจกรรมเพิ่มเติมใน ZDC เกือบไม่มีเลย จากนั้นพวกเขาแบ่งการชนเหล่านี้ออกเป็นสองประเภท: การชนที่มีนิวตรอนข้ามหน้า (ติดป้ายกำกับว่า 0nXn) และการชนแบบพีเรียดจ์ที่ไม่มีนิวตรอนข้ามหน้า (ติดป้ายกำกับว่า 0n0n) ในการชนประเภทที่มีนิวตรอนข้ามหน้า นิวเคลิออนที่ถูกชนอาจตั้งอยู่ลึกภายในนิวเคลียส ส่วนในการชนแบบพีเรียดจ์ แล้วมีแนวโน้มจะตั้งอยู่ที่ขอบเขตของนิวเคลียสมากกว่า ผ่านการวัดเจ็ตที่สังเกตได้ นักวิจัยได้กำหนดตัวแปรตัวแทน (proxy variables) ให้กับจลศาสตร์ของส่วนประกอบ (partons)

X+ เป็นหนึ่งในตัวแปรเหล่านี้ ช่วยประมาณสัดส่วนของโมเมนตัมของนิวเคลิออนที่ถูกพกพาโดยส่วนประกอบที่ถูกชน ผ่านการเปรียบเทียบการกระจายของ x+ ของสองประเภทของเหตุการณ์ นักวิจัยพยายามระบุการเปลี่ยนแปลงของ PDFs พวกเขาสังเกตเห็นความชันที่ชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบการชนที่มีนิวตรอนข้ามหน้ากับการชนแบบพีเรียดจ์ ซึ่งบ่งชี้ถึงความแตกต่างของ nPDFs ของพวกมัน เพื่อยืนยันว่าความแตกต่างเหล่านี้มีนัยสำคัญทางสถิติหรือไม่ ทีมได้ดำเนินการทดสอบทางสถิติ ยืนยันว่านิวเคลิออนที่ตั้งอยู่ที่ขอบเขตของนิวเคลียส และนิวเคลิออนที่อยู่ตรงกลาง มีการกระจายของส่วนประกอบที่แตกต่างกัน ตามที่รายงานข่าวแจ้งให้ทราบ

วิธีที่การวิจัยของ ATLAS เปลี่ยนแปลงความเข้าใจในฟิสิกส์นิวเคลียร์

การค้นพบขององค์กร ATLAS 合作組織มีความสำคัญอย่างมากต่อฟิสิกส์นิวเคลียร์ เนื่องจากมันท้าทายความเข้าใจพื้นฐานของเราเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของนิวเคลียสอะตอม การวิจัยในอดีตเน้นไปที่พฤติกรรมโดยรวมของนิวเคลิออน ส่วนการวิจัยครั้งนี้เผยให้เห็นถึงผลของตำแหน่งที่ตั้งต่อโครงสร้างภายในของนิวเคลิออน มอบมุมมองใหม่ในการเข้าใจการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวเคลิออน นอกจากนี้ นวัตกรรมทางเทคนิคของการวิจัยนี้ โดยเฉพาะการประยุกต์ใช้ในการทดลองการชน อาจเปิดทิศทางใหม่สำหรับการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ในอนาคต ส่งเสริมการสำรวจพฤติกรรมของอนุภาคย่อยอะตอมอย่างลึกซึ้ง