Colaboração Jefferson Lab Hall A, em um experimento liderado por pesquisadores da Faculté des Sciences de Monastir, na Tunísia, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay na França e Old Dominion University nos Estados Unidos, recentemente reuniu as primeiras observações experimentais de espalhamento Compton profundamente virtual (DVCS) em nêutrons. Seu experimento, cujos resultados foram publicados em Física da Natureza , foi motivado por distribuições parton generalizadas (GPDs), um arcabouço teórico desenvolvido recentemente que descreve a dinâmica interna do nucleon (próton ou nêutron) em termos de quarks e glúons. DVCS é o processo mais simples envolvendo GPDs. Consiste no espalhamento de um elétron de um nucleon e na emissão de um fóton de alta energia enquanto o nucleon permanece intacto.

"Prótons e nêutrons consistem em ondas de quarks e glúons confinados em um espaço de aproximadamente 100, 000 vezes menor que o tamanho de um átomo, "Prof. Charles Hyde, um pesquisador da Old Dominion University, na Virgínia, disse a Phys.org. "Este papel, resultante do trabalho no Hall A do Jefferson Lab, pode ser descrito como atingir um próton ou nêutron com um elétron de alta energia, e então detectar um raio gama emitido para 'tirar uma foto' das ondas de quark. "

Em seu trabalho, Hyde e seus colegas demonstraram uma nova técnica para resolver separadamente a distribuição espacial de quarks up e down de comprimentos de onda específicos (ou seja, distância crista a crista), enquanto também mede o deslocamento entre as cristas das ondas de quarks up e down. Usando esta técnica, eles foram capazes de reunir a primeira observação experimental de DVCS em nêutrons.

"O estudo do espalhamento Compton virtual profundo (DVCS) fora do nêutron veio como uma extensão natural dos estudos sobre o próton, “Dr. Carlos Munoz Camacho, pesquisador do Institut de Physique Nucléaire d'Orsay na França, disse a Phys.org. "O DVCS pode nos informar sobre a posição transversal e o momento longitudinal dos quarks dentro do núcleo. No entanto, Os experimentos de DVCS no próton por si só não podem dizer de qual sabor de quark o fóton se espalha. "

Como nenhum alvo de nêutron é inteiramente puro, estudar experimentalmente DVCS fora do nêutron pode ser muito desafiador. Ao realizar DVCS fora do nêutron e combinar os resultados com aqueles reunidos em experimentos anteriores com prótons, os pesquisadores foram capazes de mapear a posição e os momentos dos quarks up e down dentro do nucleon de forma independente.

Em seus experimentos, os pesquisadores decidiram usar um alvo de deutério, um núcleo formado por um próton e um nêutron, impingido por um feixe de elétrons polarizado 6GeV. Este feixe foi fornecido pelo Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) em Newport News, Virgínia.

"Medimos os elétrons espalhados e os fótons energéticos emitidos durante a reação usando detectores de alta precisão, "Dra. Meriem Benali, que recentemente obteve seu Ph.D. da Faculté des Sciences de Monastir na Tunísia, disse a Phys.org. "O nêutron de recuo foi identificado usando uma técnica chamada conservação de energia-momento."

Os pesquisadores compararam os dados que coletaram em seu experimento no núcleo de deutério com os dados coletados no passado usando alvos de hidrogênio (ou seja, um núcleo com apenas um próton). Isso permitiu que eles identificassem eventos DVCS raros que ocorrem em nêutrons, determinar as contribuições dos quarks up e down separadamente.

"Nossos resultados comprovam a viabilidade experimental das medições DVCS de nêutrons, que são altamente complementares aos prótons, "Dr. Malek Mazouz, professor da Faculté des Sciences de Monastir na Tunísia, disse a Phys.org. "Uma vez que o nêutron tem um conteúdo de sabor de quark diferente do próton, a combinação de medições de nêutrons e prótons nos permitiu, pela primeira vez, estudar experimentalmente os GPDs no nível dos quarks. "

DVCS é um processo difícil de medir, especialmente fora de um nêutron. Como um nêutron não carrega nenhuma carga elétrica líquida, sua probabilidade de interagir com os elétrons é muito menor do que a de um próton.

A chamada colaboração A foi possibilitada por vários avanços técnicos, incluindo o intenso feixe de elétrons fornecido pelo JLab e detectores de alta precisão. Para garantir seu sucesso, os pesquisadores monitoraram a calibração dos detectores com extremo cuidado durante os vários meses em que seu experimento ocorreu.

"Prótons e nêutrons são como piões, "Hyde disse." Um resultado surpreendente de nosso estudo é que, usando toda a gama de energia do acelerador do Jefferson Lab, as medições também podem distinguir como a distribuição de quarks no próton e nêutron muda com a orientação do próton ou spin do nêutron. "

Esta equipe de pesquisadores foi a primeira a observar com sucesso o processo DVCS fora do nêutron, o que é uma conquista importante. Ao adicionar uma série de restrições aos modelos GPD, suas descobertas podem ajudar a responder a uma série de questões fundamentais, por exemplo, revelando a origem do spin do núcleo. Além disso, seu trabalho abre um novo caminho para o mapeamento experimental de sabores de quark independentes dentro de um nucleon.

"A instalação do acelerador no JLab foi recentemente atualizada e a energia do feixe de elétrons é muito maior (11 GeV), "Munoz Camacho disse." Novos experimentos de DVCS estão em andamento e planejados para o futuro, o que nos permitirá mapear as distribuições de quarks dentro do nucleon com maior precisão. As medições DVCS também são uma das motivações científicas para o futuro projeto Electron-Ion Collider (EIC), planejado para ser construído no Laboratório Nacional de Brookhaven (NY, NÓS.)."

O novo colisor do Laboratório Nacional de Brookhaven deve permitir em breve aos pesquisadores estudar a posição e as distribuições de momento dos glúons, as partículas que mantêm quarks juntos dentro de prótons e nêutrons. Na verdade, a imagem de quark e gluon é um componente-chave do programa de ciências para o desenvolvimento do novo colisor elétron-íon, que foi recentemente anunciado pelo Departamento de Energia dos EUA.

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