Polacy zrobili zdjęcie jądra atomowego, jakiego nie ma nikt inny. To pierwszy taki obraz w historii

Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, między którymi działają siły jądrowe. Niedawno fizycy związani z Polską Akademią Nauk dokonali znaczącego odkrycia. To właśnie oni odpowiadają za stworzenie historycznego obrazu przedstawiającego jądro atomowe.

Teoretycznie mogłoby się wydawać, że odtworzenie wszystkich cech jąder atomowych, używając jedynie kwarków i gluonów, nie powinno być wielkim wyzwaniem. Jednak praktyka wykazała coś zupełnie innego. Do przełomu doprowadzili naukowcy z Polski, co jest szczególnie budujące. Wspierali ich zagraniczni badacze, a opis ich wspólnej pracy został opublikowany w Physical Review Letters.

Pomysł, aby pokazać wewnętrzną strukturę protonów i neutronów, sięga lat 60. XX wieku. Zakładano wówczas, że do tego celu potrzebne będą bardzo wysokie energie. Fizycy wierzyli, że w takich warunkach uda się zidentyfikować kwarki utrzymywane w miejscu przez gluony. Znacznie trudniejsze miało być osiągnięcie tego w warunkach, gdy w jądrach atomowych widać tylko protony i neutrony – przy niższych energiach.

Przełomu dokonali polscy naukowcy biorący udział w projekcie nCTEQ. Aleksander Kusina z Instytutu Fizyki Jądrowej wyjaśnił, że dotychczas istniały dwa równoległe opisy jąder atomowych. Jeden z nich opierał się na protonach i neutronach widocznych przy niskich energiach, a drugi na kwarkach i gluonach, które wymagają wysokich energii. Nowe badania są przełomowe, gdyż pozwoliły na połączenie obu tych koncepcji.

Obserwacje jądra atomowego prowadzone przez polskich fizyków połączyły dwa różne podejścia.

Aby zgłębiać tajemnice jąder atomowych, fizycy przeprowadzają zderzenia z mniejszymi cząsteczkami. Wyniki tych kolizji są tym, co interesuje ich najbardziej. Dzięki temu odkryli, że gdy elektrony mają stosunkowo niskie energie, jądra atomowe zachowują się tak, jakby były zbudowane z nukleonów, czyli protonów i neutronów. Natomiast przy wyższych energiach stają się widoczne kwarki i gluony wewnątrz jąder atomowych.

Jednak wiedza to jedno – potrzebny był sposób na połączenie obu koncepcji, co udało się dopiero niedawno. Wynik okazał się spektakularny. W eksperymentach badacze wykorzystali dane z wysokoenergetycznych zderzeń, m.in. w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Zastosowali tzw. funkcje rozkładu partonów, aby określić wiele parametrów, takich jak prawdopodobieństwo powstania określonej cząstki w zderzeniu elektronu lub protonu z jądrem.

Ostatecznie polscy naukowcy przyczynili się do określenia funkcji rozkładu partonów dla 18 jąder atomowych, uwzględniając rozkład partonów w skorelowanych parach nukleonów oraz liczbę takich par. Tym sposobem badacze potwierdzili, że większość skorelowanych par tworzy się na linii proton-neutron, co jest szczególnie zaskakujące w odniesieniu do ciężkich jąder, takich jak złoto.