Wawasan baru tentang struktur neutron

Semua inti atom yang diketahui dan dengan demikian hampir semua materi yang terlihat terdiri dari proton dan neutron, tetapi banyak sifat dari blok bangunan alami yang ada di mana-mana ini tidak diketahui. Sebagai partikel tak bermuatan, neutron khususnya tahan terhadap berbagai jenis pengukuran dan bahkan 90 tahun setelah penemuannya, masih banyak pertanyaan yang belum terjawab tentang ukuran dan umurnya, antara lain. Neutron terdiri dari tiga quark yang berputar-putar dan disatukan oleh gluon. Fisikawan menggunakan faktor bentuk elektromagnetik untuk menggambarkan struktur internal dinamis neutron ini. Faktor bentuk ini mewakili distribusi rata-rata muatan listrik dan magnetisasi di dalam neutron dan dapat ditentukan secara eksperimental.

Kosong pada kartu faktor bentuk yang diisi dengan data yang akurat

“Faktor bentuk tunggal, diukur pada tingkat energi tertentu, tidak banyak bicara pada awalnya,” jelas Profesor Frank Maas, peneliti di Mainz Cluster of Excellence PRISMA +, di Helmholtz Institute Mainz (HIM) dan di GSI Helmholtz Pusat Penelitian Ion Berat Darmstadt. “Pengukuran faktor bentuk pada energi yang berbeda diperlukan untuk menarik kesimpulan tentang struktur neutron“Dalam rentang energi tertentu, yang dapat diakses dengan eksperimen hamburan elektron-proton konvensional, faktor bentuk dapat ditentukan dengan cukup akurat. Namun, hal ini tidak terjadi di area lain, yang memerlukan apa yang disebut teknik pemusnahan, materi dan antimateri saling menghancurkan.

Eksperimen BESIII di Cina baru-baru ini berhasil secara tepat menentukan data yang sesuai dalam rentang energi dari 2 hingga 3,8 gigaelektron volt. Seperti dalam sebuah artikel yang diterbitkan oleh kemitraan dalam edisi saat ini Fisika alam, ini lebih dari 60 kali lebih akurat dibandingkan dengan pengukuran sebelumnya. “Dengan data baru ini, kami dapat berbicara, mengisi ruang kosong pada “peta” faktor bentuk neutron yang sebelumnya merupakan wilayah yang tidak diketahui, tegas Profesor Frank Maas. “Data ini sekarang seakurat yang diperoleh dalam eksperimen hamburan yang sesuai. Ini akan mengubah pengetahuan kita tentang faktor bentuk neutron secara dramatis dan kita akan mendapatkan gambaran yang jauh lebih komprehensif tentang blok pembangun alam yang penting ini. “

Pekerjaan perintis sejati di bidang penelitian yang sulit

Fisikawan membutuhkan antipartikel untuk mengisi bidang yang diperlukan dalam faktor bentuk “peta”. Oleh karena itu, kemitraan internasional menggunakan Beijing Electron-Positron Collider II untuk pengukurannya.Di sini, elektron dan antipartikel positifnya, yaitu positron, dapat bertabrakan dalam akselerator dan saling menghancurkan, menciptakan pasangan partikel baru – sebuah proses yang dikenal dalam fisika sebagai ” Pemusnahan “dikenal. Dengan detektor BESIII, peneliti mengamati dan menganalisis hasilnya, di mana elektron dan positron membentuk neutron dan anti-neutron. “Eksperimen pemusnahan seperti ini sama sekali tidak mapan seperti eksperimen hamburan standar,” tambah Maas. “Untuk melakukan percobaan saat ini, pekerjaan pengembangan yang cukup besar diperlukan – intensitas akselerator harus ditingkatkan dan metode deteksi untuk neutron yang sulit dipahami harus secara praktis diciptakan kembali ketika menganalisis data percobaan. Itu tidak mudah. Kemitraan kami benar-benar telah melakukan pekerjaan perintis di sini.”

Fenomena menarik lainnya

Seolah itu belum cukup, pengukuran menunjukkan kepada fisikawan bahwa hasil untuk faktor bentuk tidak memberikan kemiringan yang konsisten relatif terhadap tingkat energi, melainkan pola osilasi dengan fluktuasi yang semakin kecil seiring Tingkat energi meningkat. Mereka mengamati perilaku mengejutkan yang serupa dengan proton – tetapi di sini fluktuasi dicerminkan, yaitu di luar fase. “Temuan baru ini terutama menunjukkan bahwa nukleon tidak memiliki struktur sederhana,” jelas Profesor Frank Maas. “Sekarang rekan-rekan kami di sisi teoretis telah diminta untuk mengembangkan model untuk menjelaskan perilaku luar biasa ini.”

Akhirnya, berdasarkan pengukuran mereka, kemitraan BESIII mengubah cara mereka melihat rasio relatif faktor bentuk neutron terhadap proton. Hasil percobaan FENICE bertahun-tahun yang lalu adalah rasio yang lebih besar dari satu, yang berarti bahwa neutron harus memiliki faktor bentuk yang lebih besar secara konsisten daripada proton. “Tapi karena proton diisi, orang akan berharap itu benar-benar sebaliknya,” klaim Maas. “Dan itulah yang kami lihat ketika kami membandingkan data neutron kami dengan data proton yang baru-baru ini kami peroleh melalui BESIII. Jadi di sini kami telah mengoreksi bagaimana kami harus memahami partikel terkecil.”

Dari mikrokosmos ke makrokosmos

Menurut Maas, temuan baru ini sangat penting karena sangat mendasar. “Mereka membuka perspektif baru tentang sifat dasar neutron. Selain itu, dengan melihat materi penyusun terkecil, kita juga dapat memahami fenomena yang terjadi di dimensi terbesar – seperti penggabungan dua bintang neutron. Fisika ekstrem ini sangat menarik.”