CLAS – CEBAF Large Acceptance Spectrometer je citlivý detektor elektricky nabitých části, který v Jeffersonově laboratoři slouží ke studiu atomových jader. Do spolupráce na tomto výzkumu je zapojeno přes 200 fyziků z celého světa. Kredit: DOE's Jefferson Lab

Jaderní fyzici v rámci unikátní analýzy experimentálních dat poprvé v historii pozorovali, jak při určitých typech nukleon-leptonových nepružných rozptylů zvaných semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) vznikají částice lambda – takzvaná "podivná hmota".

Rozptyl elektronu na jádru atomu uhlíku. Kredit: Dr. Douglas Higinbotham, Jefferson Lab

Tato data navíc naznačují, že stavební kameny protonů – kvarky a gluony, jsou po určitou dobu schopny pohybovat se uvnitř atomového jádra v párech zvaných dvojkvarky (diquarks). Tyto výsledky pocházejí z experimentu provedeného v Národní laboratoři Thomase Jeffersona (Thomas Jefferson National Accelerator Facility), která je pod správou Ministerstva energetiky USA.

Je to výsledek, na který se čekalo desítky let. Soubor dat byl shromážděn již v roce 2004. V rámci své doktorandské práce zaměřené na jiné téma je pak analyzovala Lamiaa El Fassiová, nyní docentka fyziky na Univerzitě státu Mississippi (Mississippi State University).

Vedoucí týmu, Lamiaa El Fassiová, docentka na Katedře fyziky a astronomie na Mississippi State University se věnuje experimentální jaderné fyzice středních a vysokých energií Kredit: Department of Physics & Astronomy at Mississippi State University

Téměř deset let po dokončení práce a získání titulu se El Fassiová k souboru dat vrátila již jako vedoucí výzkumného týmu, s nímž provedla novou pečlivou analýzu experimentů uskutečněných pomocí urychlovače elektronového svazku CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) v Jeffersonově laboratoři. Ve studii jaderní fyzici sledovali, co se děje, když se elektrony z CEBAF rozptýlí po dopadu na cílové atomové jádro a zkoumali kvarky uzavřené uvnitř protonů a neutronů. Výsledky publikovali v časopise Physical Review Letters.

Letecký snímek Jeffersonovy laboratoře (Thomas Jefferson National Accelerator Facility), jejíž hlavním posláním a je provádět základní výzkum jádra atomu pomocí unikátního urychlovače elelktronů Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). Vědecké zařízení spadá do rezortu Ministerstva energetiky USA. Kredit: stránky DOE - Department of Energy’s Office

"Tyto výzkumy pomáhají vytvořit filmu podobný příběh znázorňující, jak se zasažený kvark mění v hadron. V novém článku uvádíme vůbec první pozorování v takové studii pro baryon lambda v oblastech dopředné a zpětné fragmentace," vysvětluje El Fassiová.

V jádře jako lambda, ven vychází jako pion
Stejně jako známější protony a neutrony je každá lambda částice složena ze tří kvarků. Avšak na rozdíl od protonů a neutronů, které obsahují pouze kombinaci up a down kvarků, lambda obsahuje jeden up kvark, jeden down kvark a jeden podivný kvark. Fyzikové proto hmotu, která obsahuje i podivné kvarky, nazvali "podivnou hmotou".

Tým El Fassiové se zajímal o způsob vzniku podivné hmoty ve srážkách částic běžné hmoty. Proto v CEBAF nechal různé terče, například atomy uhlíku, železa a olova ostřelovat urychleným svazkem elektronů. Když vysokoenergetický elektron z CEBAFu zasáhne některý terč, uvnitř atomového jádra rozbije proton nebo neutron.

"Protože je proton nebo neutron zcela rozbit, není pochyb o tom, že elektron interaguje s kvarkem uvnitř," řekla El Fassiová.

Když elektron interaguje s kvarkem nebo kvarky prostřednictvím výměny virtuálních fotonů, "zasažený" kvark(y) se začne(ou) v prostředí pohybovat jako volná(é) částice a obvykle se spojí s dalším kvarkem nebo kvarky, jež potká (resp. potkají). Jak se kvarky šíří jádrem, vytvářejí nové složené částice. V některých případech je jí právě zmiňovaná podivná lambda. Ta je však krátce žijící. Rychle se rozpadá na dvě další částice: pion a proton nebo pion a neutron. Aby mohli fyzikové změřit různé vlastnosti této, jen okamžik existující částice lambda, musí detekovat její dvě dceřiné částice a také analyzovat elektrony, které se od zasaženého jádra rozptýlily.

Studie, jejíž výsledky shrnuje článek "First Measurement of Λ Electroproduction off Nuclei in the Current and Target Fragmentation Regions", je součástí spolupráce CLAS, v němž je zapojeno téměř 200 fyziků z celého světa.

Poznámka: Článek je aktualitou poskytnutou výzkumným týmem Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF). Širší souvislosti viz seznam: „Související články“. K tomuto tématu se ještě vrátíme odbornějším článkem.

Video: Virtuální exkurze do Jeffersonovy laboratoře 2021

Literatura: Jefferson Lab, Physical Review Letters, volně dostupný článek na arXiv