Po raz pierwszy w historii wykonano tomografię kwarkowo-gluonową jądra helu. Autorami tego sukcesu są naukowcy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. O szczegółach donosi Physical Review Letters. 

W prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters ukazała się praca prezentująca pierwszą trójwymiarową tomografię kwarków i gluonów w lekkim jądrze atomowym – helu-4. W badaniach tych wiodącą rolę odegrali naukowcy z Zakładu Fizyki Teoretycznej (BP2) Narodowego Centrum Badań Jądrowych, dr hab. Paweł Sznajder i dr hab. Jakub Wagner. Najnowsza praca ukazuje innowacyjne zastosowanie zaawansowanych metod teoretycznych do precyzyjnego opisania wewnętrznej struktury materii jądrowej na poziomie subatomowym.

Jądro helu-4, znane również jako cząstka alfa, to jeden z najlżejszych i najsilniej związanych układów jądrowych. Z tego względu stanowi ono doskonałe środowisko do testowania i rozszerzania metod tomografii z pojedynczych nukleonów (protonów i neutronów) na całe jądra atomowe. Zrozumienie, w jaki sposób podstawowe budulce materii – kwarki oraz przenoszące oddziaływania między nimi gluony – są rozmieszczone przestrzennie wewnątrz jądra, jest jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki silnych oddziaływań. Do opisania tej wewnętrznej struktury badacze wykorzystują uogólnione rozkłady partonów (ang. generalized parton distributions, GPDs), które m.in. łączą informacje o pędzie podłużnym kwarków i gluonów z ich przestrzennym ułożeniem (tzw. tomografia hadronów).

Aby uzyskać ten trójwymiarowy obraz, międzynarodowy zespół badawczy, w skład którego weszli badacze z NCBJ, przeanalizował proces tzw. głęboko wirtualnego rozpraszania komptonowskiego (ang. deeply virtual Compton scattering, DVCS). Konstrukcja modelu teoretycznego wymagała uwzględnienia wysoce zaawansowanych obliczeń, obejmujących m.in. poprawki wyższych rzędów dla oddziaływań silnych oraz poprawki kinematyczne. Dzięki temu udało się zaobserwować wyraźną hierarchię przestrzenną – uzyskane obrazy tomograficzne pokazały m.in., że tak zwane kwarki morza oraz gluony posiadają znacznie szerszy rozkład przestrzenny niż kwarki walencyjne.

Zaproponowane rozwiązanie i opracowany model teoretyczny stanowią fundament dla dalszych badań nad jądrowymi rozkładami GPD i związanymi z nimi programami pomiarów eksperymentalnych. W najbliższej przyszłości nowe, precyzyjniejsze dane dla helu-4 zostaną zmierzone w amerykańskim laboratorium Jefferson Lab (JLab). W dłuższej perspektywie wypracowane przez badaczy metody będą niezastąpione przy analizie danych z planowanych na świecie zderzaczy elektronowo-jonowych, takich jak EIC w USA i EIcC w Chinach.

Szczegółowe wyniki badań są dostępne w publikacjach:

• Publikacja główna: V. Martínez-Fernández, B. Pire, P. Sznajder i J. Wagner, “Quark and gluon tomography of the helium-4 nucleus”,  Phys. Rev. Lett. 137, 111905,
  https://doi.org/10.1103/634s-zcy6 
• Długi artykuł towarzyszący (zawierający szczegóły teoretyczne i metodologiczne): Phys. Rev. C 114, 035203,
  https://doi.org/10.1103/h7kn-ql7j