Модель, предполагающая меньшие протоны и нейтроны и более «комковатое» расположение этих строительных блоков (слева), лучше соответствует экспериментальным данным о начальной плотности энергии при столкновениях тяжелых ионов, чем модель с более крупными протонами, нейтронами и более гладкой структурой (справа). Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.

Может быть трудно представить, что обломки сильных столкновений тяжелых ионов, которые растворяют границы протонов и нейтронов и производят тысячи новых частиц, можно использовать для детального понимания свойств нуклонов. Однако новые достижения в экспериментальных методах наряду с улучшенным теоретическим моделированием сделали это возможным. Основываясь на современной модели сталкивающихся ядер и гидродинамической эволюции кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении, недавнее исследование Physical Review Letters демонстрирует, что конкретные наблюдаемые сильно чувствительны к размеру протонов и нейтронов внутри сталкивающихся ядер.

Сравнение модели с данными экспериментов также показывает, что распределение глюонов внутри протонов и нейтронов довольно неровное — не такое гладкое и сферическое, как моделируется с использованием наивных предположений. Текущие и будущие измерения с использованием столкновений различных ядер на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), пользовательском объекте Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории и на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, а также сложная теоретическая программа, даст более подробное представление о распределении глюонов внутри протонов и нейтронов, внутри и вне тяжелых ядер, а также о том, как оно ведет себя при изменении энергии столкновения. Эта фундаментально важная информация будет изучена с еще большей точностью на электронно-ионном коллайдере, который будет построен в Брукхейвене.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков и глюонов. Понимание того, как эти внутренние строительные блоки распределяются внутри ядер, может показать, как появляются большие протоны и нейтроны при исследовании с высокой энергией. В этой работе использовались сравнения между модельными расчетами и новыми данными о точности столкновений тяжелых ионов (содержащих много протонов и нейтронов), чтобы получить доступ к распределению глюонов и предсказать размер протона.

Выявление и точное измерение факторов, чувствительных к размеру нуклона, поможет физикам точнее описать кварк-глюонную плазму (КГП). Это горячая, плотная форма ядерной материи, созданная, когда отдельные протоны и нейтроны «плавят» в столкновениях тяжелых ионов, имитируя условия ранней Вселенной. Это знание может устранить значительные неопределенности относительно начального состояния созданного КГП. Дополнительные сведения о начальном состоянии QGP обеспечивают ввод для расчетов модели, которые ученые используют для определения вязкости и других свойств QGP. Результаты также дополняют измерения размера протона, основанные на распределении кварков внутри протона.