Brookhaven National Laboratory in de VS. Krediet: Brookhaven Nationwide Laboratory
Toen de Nobelprijswinnende Amerikaanse natuurkundige Robert Hofstadter en zijn workforce in 1956 zeer energetische elektronen afvuurden op een klein flesje waterstof in het Stanford Linear Accelerator Middle, openden ze de deur naar een nieuw tijdperk van de natuurkunde. Tot dan toe dacht males dat protonen en neutronen, die de kern van een atoom vormen, de meest fundamentele deeltjes in de natuur waren. Ze werden beschouwd als “stippen” in de ruimte, zonder fysieke afmetingen. Nu werd plotseling duidelijk dat deze deeltjes helemaal niet fundamenteel waren, en ook een omvang en complexe interne structuur hadden.
Wat Hofstadter en zijn crew zagen, was een kleine afwijking in hoe elektronen “verstrooiden” of stuiterden, wanneer ze de waterstof raakten. Dit suggereerde dat er meer in een kern zat dan de puntachtige protonen en neutronen die ze zich hadden voorgesteld. De experimenten die around de hele wereld volgden satisfied versnellers – devices die deeltjes naar zeer hoge energieën voortstuwen – luidden een paradigmaverschuiving in ons begrip van materie in.
Toch weten we nog veel niet about de atoomkern – en ook in excess of de ‘sterke kracht’, een van de vier fundamentele natuurkrachten die hem bij elkaar houdt. Nu zou een gloednieuwe versneller, de Electron-Ion Collider, die binnen het decennium in het Brookhaven Nationwide Laboratory in Lengthy Island, VS, gebouwd zal worden achieved de hulp van 1.300 wetenschappers van in excess of de hele wereld, ons kunnen helpen om ons begrip van de kern naar een hoger niveau te tillen. een nieuw niveau.
Sterke maar vreemde kracht
Na de onthullingen van de jaren vijftig werd al snel duidelijk dat deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd de fundamentele bouwstenen van materie zijn. Het zijn de bestanddelen van hadronen, de verzamelnaam voor protonen en andere deeltjes. Soms stellen mensen zich voor dat dit soort deeltjes in elkaar passen als Lego, met quarks in een bepaalde configuratie die protonen vormen, en dan koppelen protonen en neutronen zich aan elkaar om een kern te creëren, en de kern trekt elektronen aan om een atoom te bouwen. Maar quarks en gluonen zijn allesbehalve statische bouwstenen.
Een theorie genaamd kwantumchromodynamica beschrijft hoe de sterke kracht werkt tussen quarks, gemedieerd doorway gluonen, die krachtdragers zijn. Toch kan het ons niet helpen om de eigenschappen van het proton analytisch te berekenen. Dit is niet de schuld van onze theoretici of computers – de vergelijkingen zelf zijn gewoon niet oplosbaar.
Daarom is de experimentele studie van het proton en andere hadronen zo cruciaal: om het proton en de kracht die het bindt te begrijpen, moet je het vanuit elke hoek bestuderen. Hiervoor is het gaspedaal ons krachtigste hulpmiddel.
Maar als je naar het proton kijkt met een versneller (een soort versneller die twee bundels gebruikt), hangt wat we zien af van hoe diep – en fulfilled wat – we kijken: soms lijkt het als drie samenstellende quarks, dan weer als een oceaan van gluonen, of een krioelende zee van paren quarks en hun antideeltjes (antideeltjes zijn bijna identiek aan deeltjes, maar hebben de tegenovergestelde lading of andere kwantumeigenschappen).
Hoe een elektron dat botst met een geladen atoom zijn nucleaire structuur kan onthullen.
Brookhaven Nationwide Lab / Flickr, CC BY-NC
Dus hoewel ons begrip van materie op deze kleinste schaal grote vooruitgang heeft geboekt in de afgelopen 60 jaar, blijven er veel mysteries in excess of die de instrumenten van vandaag niet volledig kunnen oplossen. Wat is de aard van de opsluiting van quarks in een hadron? Hoe ontstaat de massa van het proton uit de bijna massaloze quarks, 1000 keer lichter?
Om dergelijke vragen te beantwoorden, hebben we een microscoop nodig die de structuur van het proton en de kern more than het breedste bereik van vergrotingen in prachtige aspects kan afbeelden, en 3D-beelden kan bouwen van hun structuur en dynamiek. Dat is precies wat de nieuwe botser zal doen.
Experimentele opstelling
De Electron-Ion Collider (EIC) zal een zeer intense elektronenbundel als sonde gebruiken, waarmee het mogelijk wordt om het proton of de kern open te snijden en naar de structuur erin te kijken. Dat doet het doorway een elektronenbundel te laten botsen achieved een bundel protonen of ionen (geladen atomen) en te kijken hoe de elektronen zich verspreiden. De ionenbundel is de eerste in zijn soort ter wereld.
Effecten die nauwelijks waarneembaar zijn, zoals verstrooiingsprocessen die zo zeldzaam zijn dat je ze maar één keer op een miljard botsingen waarneemt, worden zichtbaar. Door deze processen te bestuderen, zullen ikzelf en andere wetenschappers de structuur van protonen en neutronen kunnen onthullen, hoe deze wordt gewijzigd wanneer ze worden gebonden doorway de sterke kracht, en hoe nieuwe hadronen worden gecreëerd. We zouden ook kunnen ontdekken wat voor soort materie uit pure gluonen bestaat – iets dat nog nooit is gezien.
Experiment schema.
Brookhaven Countrywide Lab / Flickr, CC BY-NC
De versneller zal afstembaar zijn op een breed scala aan energieën: dit is als het draaien van de vergrotingsknop op een microscoop, hoe hoger de energie, hoe dieper in het proton of de kern gentlemen kan kijken en hoe fijner de kenmerken die adult men kan oplossen.
Nieuw gevormde samenwerkingsverbanden van wetenschappers above de hele wereld, die deel uitmaken van het EIC-workforce, ontwerpen ook detectoren, die op twee verschillende botsingspunten in de botser zullen worden geplaatst. Aspecten van deze inspanning worden geleid door Britse teams, die zojuist een subsidie hebben gekregen om het ontwerp van drie belangrijke componenten van de detectoren te leiden en de technologieën te ontwikkelen die nodig zijn om ze te realiseren: sensoren voor het nauwkeurig volgen van geladen deeltjes, sensoren voor de detectie van elektronen die extreem dicht bij de bundellijn worden verstrooid en detectoren om de polarisatie (richting van de spin) van de deeltjes die bij de botsingen worden verstrooid te meten.
Hoewel het nog tien jaar kan duren voordat de versneller volledig is ontworpen en gebouwd, is het waarschijnlijk de moeite waard. Het begrijpen van de structuur van het proton en, daardoor, de fundamentele kracht die aanleiding geeft tot meer dan 99% van de zichtbare massa in het universum, is een van de grootste uitdagingen in de natuurkunde van vandaag.
Daria Sokhan ontvangt financiering van UKRI, STFC, EU-commissie, regio Ile-de-France. Daria Sokhan is momenteel satisfied verlof bij CEA Saclay, Frankrijk, waar ze de Blaise Pascal-leerstoel bekleedt.
