陽子の質量半径は電荷の半径 (高密度のコア) よりも小さく、スカラー グルオンの活動の雲は電荷の半径を超えて広がっています。 この発見は、陽子の閉じ込めと質量分布に光を当てる可能性があります。 クレジット: アルゴンヌ国立研究所
「魅力的な」実験は、陽子にグルオン質量を発見
陽子のグルオン重力フォームファクターの実験的決定により、陽子の隠された質量の一部が明らかになった可能性があります。
核物理学者は、陽子のどこにその質量の大部分が存在するかを最終的に特定した可能性があります。 米国エネルギー省のトーマス・ジェファーソン国立加速器施設で行われた最近の実験では、陽子の構成要素であるクォークを接着する強い力によって生成される陽子の質量の半径が明らかになりました。 その結果は3月29日にジャーナルに掲載されました 自然.
陽子の最大の謎の 1 つは、その質量の起源です。 陽子の測定された質量は、その物理的な構成要素、つまり 3 つのいわゆる原子価クォークだけに由来するものではないことが判明しました。
「陽子のクォークの標準モデルの質量を合計すると、陽子の質量のごく一部しか得られません」と、DOE のアルゴンヌ国立研究所の実験物理学者である実験の共同スポークスパーソンであるシルベスター ヨーステンは説明しました。
過去数十年にわたって、核物理学者は、陽子の質量がいくつかのソースに由来することを暫定的にまとめてきました。 まず、クォークの質量からいくらかの質量を取得し、それらの動きからさらにいくつかの質量を取得します。 次に、それらのクォークを接着する強い力エネルギーから質量を取得し、この力が「グルーオン」として現れます。 最後に、陽子のクォークとグルオンの動的な相互作用から質量を取得します。
この新しい測定は、陽子のグルーオンによって生成された物質の位置を特定することによって、陽子のグルーオンによって生成された質量に最終的に光を当てた可能性があります。 この核物質の半径は、陽子の中心にあることがわかった。 この結果はまた、このコアが陽子の十分に測定された電荷半径 (陽子のサイズの代用としてよく使用される量) とは異なるサイズを持っていることを示しているようです。
「この質量構造の半径は荷電半径よりも小さいため、核子の質量対荷電構造の階層の感覚が得られます。リーダー。
実験の共同スポークスパーソンであり、DOE のアルゴンヌ国立研究所のスタッフ科学者である Zein-Eddine Meziani によると、この結果は実際にはやや驚きでした。
「私たちが見つけたものは、このようになるとはまったく予想していなかったものです。 この実験の当初の目的は、研究者によって報告されているペンタクォークの探索でした。[{” attribute=””>CERN,” Meziani said
The experiment was performed in Experimental Hall C in Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility, a DOE Office of Science user facility. In the experiment, energetic 10.6 GeV (billion electron-volt) electrons from the CEBAF accelerator were sent into a small block of copper. The electrons were slowed down or deflected by the block, causing them to emit bremsstrahlung radiation as photons. This beam of photons then struck the protons inside a liquid hydrogen target. Detectors measured the remnants of these interactions as electrons and positrons.
The experimenters were interested in those interactions that produced J/ Ψ particles amongst the hydrogen’s proton nuclei. The J/ Ψ is a short-lived meson that is made of charm/anti-charm quarks. Once formed, it quickly decays into an electron/positron pair.
Of the billions of interactions, the experimenters found about 2,000 J/ Ψ particles in their cross-section measurements of these interactions by confirming the coincident electron/positron pairs.
“It’s similar to what we’ve been doing all along. By doing elastic scattering of the electron on the proton, we’ve been getting the proton’s charge distribution,” said Jones. “In this case, we did exclusive photo-production of the J/ Ψ from the proton, and we’re getting the gluon distribution instead of the charge distribution.”
The collaborators were then able to insert these cross-section measurements into theoretical models that describe the gluonic gravitational form factors of the proton. The gluonic form factors detail the mechanical characteristics of the proton, such as its mass and pressure.
“There were two quantities, known as gravitational form factors, that we were able to pull out, because we had access to these two models: the generalized parton distributions model and the holographic quantum chromodynamics (QCD) model. And we compared the results from each of these models with lattice QCD calculations,” Meziani added.
From two different combinations of these quantities, the experimenters determined the aforementioned gluonic mass radius dominated by graviton-like gluons, as well as a larger radius of attractive scalar gluons that extend beyond the moving quarks and confine them.
“One of the more puzzling findings from our experiment is that in one of the theoretical model approaches, our data hint at a scalar gluon distribution that extends well beyond the electromagnetic proton radius,” Joosten said. “To fully understand these new observations and their implications on our understanding of confinement, we will need a new generation of high-precision J/ Ψ experiments.”
One possibility for further exploration of this tantalizing new result is the Solenoidal Large Intensity Device experiment program, called SoLID. The SoLID program is still in the proposal stage. If approved to move forward, experiments conducted with the SoLID apparatus would provide new insight into J/ Ψ production with the SoLID detector. It will really be able to make high-precision measurements in this region. One of the major pillars of that program is J/ Ψ production, along with transverse momentum distribution measurements and parity-violating deep inelastic scattering measurements,” Jones said.
Jones, Joosten and Meziani represent an experimental collaboration that includes more than 50 nuclear physicists from 10 institutions. The spokespeople also want to highlight Burcu Duran, the lead author and a postdoctoral research associate at the University of Tennessee, Knoxville. Duran featured this experiment in her Ph.D. thesis as a graduate student at Temple University, and she was a driving force behind the analysis of the data.
The collaboration conducted the experiment over about 30 days in February-March 2019. They agree that this new result is intriguing, and they say that they all are looking forward to future results that will shed additional light on the glimpses of new physics that it implies.
“The bottom line for me – there’s an excitement right now. Could we find a way to confirm what we are seeing? Is this new picture information going to stick?” Meziani said. “But to me, this is really very exciting. Because if I think now of a proton, we have more information about it now than we’ve ever had before.”
Reference: “Determining the gluonic gravitational form factors of the proton” by B. Duran, Z.-E. Meziani, S. Joosten, M. K. Jones, S. Prasad, C. Peng, W. Armstrong, H. Atac, E. Chudakov, H. Bhatt, D. Bhetuwal, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. M. Dalton, N. Deokar, M. Diefenthaler, J. Dunne, L. El Fassi, E. Fuchey, H. Gao, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, D. Higinbotham, S. Jia, A. Karki, C. Keppel, P. King, H. S. Ko, X. Li, R. Li, D. Mack, S. Malace, M. McCaughan, R. E. McClellan, R. Michaels, D. Meekins, Michael Paolone, L. Pentchev, E. Pooser, A. Puckett, R. Radloff, M. Rehfuss, P. E. Reimer, S. Riordan, B. Sawatzky, A. Smith, N. Sparveris, H. Szumila-Vance, S. Wood, J. Xie, Z. Ye, C. Yero and Z. Zhao, 29 March 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4
Funding: DOE/US Department of Energy