Φως στη δομή των πρωτονίων – Ανταλλαγή δυο φωτονίων (όχι ενός) σε αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-πρωτονίου

10:46 5/3/2017 - Πηγή: Alfa Vita

Ένα μυστήριο που αφορά τη δομή του πρωτονίου βρίσκεται ένα βήμα πιο κοντά στη λύση του, χάρις σε ένα πείραμα επτά χρόνων που γίνεται από ερευνητές στο MIT. Για πολλά χρόνια οι ερευνητές διερευνούσαν τη δομή των πρωτονίων – υποατομικά σωμάτια με θετικό φορτίο – βομβαρδίζοντάς τα με ηλεκτρόνια και εξετάζοντας την ένταση των σκεδαζόμενων σε διάφορες γωνίες ηλεκτρονίων. Με αυτό τον τρόπο προσπάθησαν να προσδιορίσουν

πώς κατανέμονται το ηλεκτρικό φορτίο και η μαγνήτιση του πρωτονίου. Τα πειράματα αυτά είχαν προηγουμένως οδηγήσει τους ερευνητές να υποθέσουν ότι οι κατανομές του ηλεκτρικού και του μαγνητικού φορτίου είναι ίδιες και ότι όταν τα πρωτόνια αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια που τα βομβαρδίζουν ανταλλάσσεται ένα στοιχειώδες σωμάτιο φωτός, ένα φωτόνιο.

Ωστόσο, στην αρχή της δεκαετίας του 2000, οι ερευνητές άρχισαν να διενεργούν τα πειράματα χρησιμοποιώντας πολωμένες ηλεκτρονιακές δέσμες, που μετρούσαν την ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίου-πρωτονίου χρησιμοποιώντας το σπιν των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων. Τα πειράματα αυτά αποκάλυψαν ότι ο λόγος των κατανομών ηλεκτρικού – μαγνητικού φορτίου μειώνεται δραματικά στις υψηλότερης ενέργειας αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Αυτό οδήγησε στη θεωρία ότι κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, ανταλλάσσονται μερικές φορές όχι ένα, αλλά δυο φωτόνια, προκαλώντας την ανομοιόμορφη κατανομή φορτίου. Επιπλέον, η θεωρία προέβλεπε ότι και τα δυο αυτά σωμάτια θα είναι από τα επονομαζόμενα «σκληρά», ή υψηλής ενέργειας, φωτόνια.

Σε μια προσπάθεια να αναγνωρίσουν αυτή την «ανταλλαγή δυο φωτονίων», μια διεθνής ομάδα, υπό την ηγεσία ερευνητών του Εργαστηρίου Πυρηνικής Επιστήμης στο MIT, διεξήγαγε ένα επταετές πείραμα, γνωστό ως OLYMPUS, στο Γερμανικό Σύχνοτρο Ηλεκτρονίων (DESY) στο Αμβούργο. Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters αυτής της εβδομάδας, οι ερευνητές αποκάλυψαν τα αποτελέσματα από αυτό το πείραμα, τα οποία δείχνουν ότι τα δυο φωτόνια πράγματι ανταλλάσσονται κατά τη διάρκεια των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίου-πρωτονίου.

Ωστόσο, αντίθετα από τις θεωρητικές προβλέψεις, η ανάλυση των μετρήσεων του OLYMPUS υποστηρίζει ότι, τις περισσότερες φορές, μόνο ένα από τα φωτόνια έχει υψηλή ενέργεια, ενώ το άλλο πρέπει να φέρει στην πραγματικότητα πολύ μικρή ενέργεια, σύμφωνα με τον Richard Milner, Καθηγητή φυσικής και μέλος της Ομάδας Αδρονικής Φυσικής του Εργαστηρίου Πυρηνικής Επιστήμης, που ηγείτο του πειράματος.

Οι ερευνητές αποσυναρμολόγησαν το πρώην φασματόμετρο BLAST (Bates Large Acceptance Spectrometer Toroid) – ένα σύνθετο ανιχνευτή του MIT μεγέθους 125 κυβικών μέτρων – και το μετέφεραν στη Γερμανία, όπου τον επανασυναρμολόγησαν με ορισμένες βελτιώσεις. Μετά, διεξήγαγαν το πείραμα για τρεις μήνες το 2012, πριν ο επιταχυντής σωματιδίων στο εργαστήριο παροπλιστεί και κλείσει στο τέλος αυτού του έτους. Το πείραμα, το οποίο διεξήχθη την ίδια περίοδο το ίδιο στις ΗΠΑ και τη Ρωσία, περιελάμβανε βομβαρδισμό των πρωτονίων τόσο με αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, όσο και με θετικά φορτισμένα ποζιτρόνια και σύγκριση της διαφοράς μεταξύ των δυο αλληλεπιδράσεων, σύμφωνα με τον Douglas Hasell, κύριο ερευνητή στο Εργαστήριο Πυρηνικής Επιστήμης και της Ομάδας Αδρονικής Φυσικής στο MIT και έναν από τους συγγραφείς της εργασίας.

Η διαδικασία θα παραγάγει μια μικρή διαφορετική μέτρηση εάν η σκέδαση γίνεται από ηλεκτρόνια ή από ποζιτρόνια, λέει ο Hasell. «Αν δείτε μια διαφορά (στις μετρήσεις) θα δείχνει ότι υπάρχει ένα φαινόμενο δυο φωτονίων που είναι σημαντικό». Οι συγκρούσεις έτρεχαν τρεις μήνες και τα δεδομένα των αποτελεσμάτων πήρε πάνω από τρία χρόνια για να αναλυθούν, ανέφερε ο Hasell. Η διαφορά μεταξύ των θεωρητικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων σημαίνει ότι ίσως χρειάζεται να διεξαχθούν επιπλέον πειράματα στο μέλλον και σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες, όπου το φαινόμενο της ανταλλαγής των δυο φωτονίων αναμένεται να είναι εντονότερο. Μπορεί ωστόσο να αποδειχθεί δύσκολο να επιτευχθεί το ίδιο επίπεδο ακρίβειας που επιτεύχθηκε στο πείραμα OLYMPUS.

Στο άμεσο μέλλον, ο ερευνητές σχεδιάζουν να δουν πώς ανταποκρίνεται η κοινότητα των θεωρητικών φυσικών στα δεδομένα, πριν αποφασίσουν για το επόμενο βήμα τους.

Πηγή: MIT News μέσω egno.gr

Περισσότερα στη δημοσίευση: Hard Two-Photon Contribution to Elastic Lepton-Proton Scattering Determined by the OLYMPUS Experiment. Phys. Rev. Lett. 118

πρωτόνιαφωτόνιαηλεκτρόνια