Pierwszy spójny obraz jądra atomowego z kwarków i gluonów: przełomowe badania fizyków z IFJ PAN

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie dokonali przełomowego odkrycia, tworząc po raz pierwszy pełny model jądra atomowego oparty wyłącznie na kwarkach i gluonach. Artykuł opublikowany w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters” rozwiązuje problem, z którym fizycy zmagali się od dekad, i łączy opisy struktur jądrowych obserwowanych przy niskich i wysokich energiach. Badania te otwierają nowe drogi dla przyszłych odkryć w fizyce jądrowej i subatomowej.

Historia odkrycia: od protonów i neutronów do kwarków i gluonów

Od momentu odkrycia protonów i neutronów na początku XX wieku, naukowcy intensywnie badali strukturę jądra atomowego. Z biegiem czasu okazało się, że protony i neutrony nie są niepodzielnymi jednostkami materii, jak wcześniej sądzono. W latach 60. XX wieku badania wykazały, że składają się one z jeszcze mniejszych cząstek – kwarków, które są spajane przez gluony, cząstki przenoszące oddziaływania silne.

Pomimo odkrycia kwarków i gluonów, badania nad jądrem atomowym były rozdzielone na dwa osobne nurty. Przy niskich energiach, naukowcy skupiali się na opisie jądra za pomocą protonów i neutronów, zwanych wspólnie nukleonami. Natomiast przy wyższych energiach, eksperymenty wskazywały na obecność kwarków i gluonów, czyli tzw. partonów. Stworzenie spójnego modelu, który łączyłby te dwa światy, było jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki jądrowej. Zespół z IFJ PAN, w ramach międzynarodowej grupy badawczej nCTEQ, wreszcie tego dokonał.

Jak badamy jądra atomowe? Eksperymenty przy niskich i wysokich energiach

Podobnie jak ludzkie oko pozwala nam obserwować otoczenie poprzez detekcję rozproszonych fotonów, fizycy badają jądra atomowe, bombardując je cząstkami elementarnymi, takimi jak elektrony, a następnie analizując rezultaty tych zderzeń. Kluczowe znaczenie ma energia użytych cząstek. Przy stosunkowo niskich energiach jądra zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów – protonów i neutronów. Przy wyższych energiach, wewnątrz jąder “widoczne” są już partony, czyli kwarki i gluony.

Dotychczas opisy eksperymentów jądrowych przy niskich energiach skupiały się na nukleonach, a przy wysokich energiach na partonach. Problem polegał na tym, że te dwa podejścia były ze sobą niezgodne – wyniki uzyskane przy niskich energiach nie mogły być wytłumaczone za pomocą teorii partonów, i odwrotnie. Ten naukowy impas trwał przez dekady.

Przełomowe badania fizyków z IFJ PAN

Naukowcy z IFJ PAN, korzystając z danych zebranych w eksperymentach wysokoenergetycznych, takich jak te prowadzone przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, zdołali opracować model, który łączy oba światy – niskoenergetyczny opis jądra opartego na nukleonach oraz wysokoenergetyczny opis oparty na kwarkach i gluonach.

„Do tej pory istniały dwa równoległe opisy jąder atomowych: jeden bazujący na protonach i neutronach, które obserwujemy przy niskich energiach, oraz drugi, dla wysokich energii, oparty na kwarkach i gluonach. W naszej pracy udało się połączyć te dwa dotychczas rozdzielone światy” – wyjaśnia dr hab. Aleksander Kusina, jeden z głównych autorów publikacji.

Kwarki, gluony i ich rola w opisach jądra atomowego

Fizycy z IFJ PAN wykorzystali funkcje rozkładu partonów (PDF – Parton Distribution Functions), które opisują sposób, w jaki kwarki i gluony rozkładają się wewnątrz protonów i neutronów oraz w całym jądrze atomowym. W nowatorskim podejściu badacze rozbudowali te funkcje o nowe elementy, pozwalające na uwzględnienie skorelowanych par nukleonów, takich jak pary proton-neutron, proton-proton oraz neutron-neutron.

Eksperymentalnie wiadomo, że w wielu przypadkach nukleony w jądrze łączą się w takie pary, co wpływa na ich zachowanie w zderzeniach. Zastosowanie tego zjawiska na poziomie kwarkowo-gluonowym pozwoliło badaczom nie tylko uzyskać bardziej precyzyjne wyniki, ale także wyznaczyć ilość i rozkład tych skorelowanych par w różnych jądrach atomowych.

Lepsze zrozumienie struktury jądra atomowego

Wyniki uzyskane przez zespół z IFJ PAN potwierdziły, że większość skorelowanych par nukleonów w jądrze atomowym stanowią pary proton-neutron, co było wcześniej obserwowane w eksperymentach niskoenergetycznych. Zastosowanie nowego modelu pozwoliło także na dokładniejsze odwzorowanie rozkładów kwarków i gluonów w jądrach atomowych, co stanowi znaczący krok naprzód w rozumieniu struktury materii.

Dzięki temu po raz pierwszy udało się stworzyć spójny obraz jądra atomowego, który wyjaśnia zarówno wyniki uzyskiwane przy niskich, jak i wysokich energiach, integrując te dwa odrębne wcześniej światy. Jak podkreśla dr Kusina, „wprowadzone modyfikacje teoretyczne umożliwią w przyszłości bardziej precyzyjne badania rozkładów partonowych w poszczególnych jądrach atomowych”.

Nowe perspektywy w fizyce jądrowej

Zgodność przewidywań teoretycznych z danymi eksperymentalnymi otwiera nowe możliwości w badaniach nad strukturą jądra atomowego. Model opracowany przez naukowców z IFJ PAN pozwala lepiej zrozumieć nie tylko zachowanie kwarków i gluonów w jądrze atomowym, ale także mechanizmy oddziaływań pomiędzy nukleonami i partonami w różnych skalach energetycznych.

Te przełomowe wyniki mogą mieć dalekosiężne konsekwencje dla rozwoju fizyki jądrowej oraz badań nad oddziaływaniami fundamentalnymi w skali subatomowej. Ponadto, osiągnięcie to może wpłynąć na lepsze zrozumienie procesów zachodzących w ekstremalnych warunkach, takich jak te występujące w gwiazdach neutronowych czy w trakcie zderzeń ciężkich jonów w akceleratorach.

Wsparcie ze strony Narodowego Centrum Nauki

Prace nad tym projektem zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki, co podkreśla wagę polskiego wkładu w międzynarodowe badania z zakresu fizyki jądrowej. Dzięki współpracy z międzynarodowymi ośrodkami badawczymi, takimi jak CERN, fizycy z IFJ PAN odgrywają kluczową rolę w rozwijaniu wiedzy na temat podstawowych składników materii.

Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN w Krakowie jest jednym z wiodących ośrodków badawczych w dziedzinie fizyki jądrowej i subatomowej. Instytut prowadzi zarówno badania podstawowe, jak i aplikacyjne, obejmujące m.in. fizykę cząstek, fizykę jądrową, a także rozwój technologii wykorzystywanych w medycynie, takich jak terapia protonowa.

Kontakt

dr hab. Aleksander Kusina
Instytut Fizyki Jądrowej PAN
E-mail: aleksander.kusina@ifj.edu.pl

fot. IFJ PAN