Fisikawan neutron terkejut – fluktuasi fitur elektromagnetik tidak sesuai dengan model teoretis

Osilasi yang membingungkan: Fisikawan telah mengukur kembali sifat-sifat neutron — dan memperhatikan hal-hal yang mengejutkan. Karena faktor bentuk elektromagnetik unit dasar tidak berubah secara merata dengan meningkatnya daya, melainkan berfluktuasi secara berkala. Osilasi ini, yang telah diamati pada proton, tidak dapat dijelaskan secara teoritis, tim menjelaskan dalam Fisika Alam. Namun, hal itu menunjukkan struktur internal neutron yang lebih dinamis dan kompleks dari yang diperkirakan.

Proton dan neutron, masing-masing terdiri dari tiga quark, adalah blok bangunan materi – bersama-sama mereka membentuk inti atom. Tetapi terlepas dari kepentingan dasar ini, bahan dasarnya masih ada membingungkan pekerjaan. Bahkan dengan fitur dasar seperti masa hidupDan ukuran Dan struktur internal Ada keraguan besar. Selain itu, fisikawan berulang kali mengamati fenomena yang tidak sesuai dengan model teoretis.

Rahasia faktor bentuk

Pandangan baru tentang sifat neutron kini telah diwujudkan oleh fisikawan di Kolaborasi BESIII. Tujuan percobaan ini adalah untuk lebih akurat menentukan apa yang disebut faktor bentuk elektromagnetik neutron. Mereka menggambarkan distribusi rata-rata muatan listrik dan magnet dalam neutron, dan dengan demikian memberikan petunjuk tentang perilaku dan susunan tiga quark yang terhubung melalui gluon di bagian dalamnya.

“Faktor bentuk tunggal, yang diukur pada energi tertentu, tidak banyak bicara pada awalnya,” jelas Frank Maas dari Helmholtz Institute Mainz (HIM). “Hanya mengetahui faktor bentuk pada energi yang berbeda memungkinkan kesimpulan ditarik tentang struktur neutron.” Karena tidak ada pengukuran dalam rentang energi dari 2 hingga 3,8 gigaelektronvolt, tim sekarang telah menutup celah ini dengan eksperimen pemusnahan.

Untuk melakukan ini, para fisikawan memeriksa sifat-sifat neutron dan antineutron yang terbentuk ketika elektron dan positron bertabrakan pada akselerator partikel BESIII di Cina. “Secara kiasan, kami telah mengisi area kosong pada peta faktor bentuk neutron dengan data baru,” kata Maas.

Osilasi tidak konsisten dengan pola

Analisis memberikan beberapa temuan baru. Salah satunya: bergantung pada energi, faktor bentuk neutron tidak menghasilkan garis halus, melainkan pola osilasi. Dengan meningkatnya daya, penyimpangan menjadi lebih kecil dan lebih kecil. Perilaku tiba-tiba ini merupakan penyimpangan yang jelas dari perilaku yang diharapkan, fisikawan menjelaskan. Namun, osilasi seperti itu baru-baru ini diamati pada proton juga.

“Kami sekarang mengamati perilaku identik pada frekuensi yang sama di neutron juga, tetapi dengan pergeseran fasa yang besar,” tulis para ilmuwan. “Hasil ini menunjukkan bahwa belum ada dinamika intrinsik yang dipahami dalam nukleon yang bertanggung jawab atas osilasi ortogonal yang kasar ini.” Dengan kata lain: ada sesuatu yang terjadi di dalam komponen inti yang belum diambil oleh model saat ini.

“Sekarang, secara teori, rekan-rekan kami diminta untuk mengembangkan model untuk perilaku luar biasa ini,” kata Maas.

Penyimpangan sebelumnya disangkal

Namun, pengukuran baru juga mengungkapkan bahwa perbedaan dalam pengukuran sebelumnya tampaknya tidak ada sama sekali. Para peneliti mendemonstrasikan kopling yang lebih kuat dengan foton virtual neutron daripada proton – jadi neutron harus secara konsisten menunjukkan faktor bentuk yang lebih besar daripada proton. Tapi ini bertentangan dengan teori dasar: “Karena proton bermuatan, orang akan mengharapkannya menjadi kebalikannya,” kata Maas.

Data dari percobaan BESIII sekarang membantah temuan sebelumnya: “Hasil kami menunjukkan bahwa interaksi foton-proton lebih kuat daripada interaksi foton-neutron yang sesuai – seperti yang diprediksi oleh sebagian besar model teoretis,” tulis tim tersebut. “Ini menjernihkan teka-teki lebih dari 20 tahun tentang interaksi ini.”

Juga penting untuk astrofisika

Dengan demikian, data pengukuran baru membantu memecahkan setidaknya beberapa teka-teki tentang bahan penyusun materi ini. Bahkan jika banyak dari sifat dasar neutron dan proton sama sekali tidak sepenuhnya dipahami, mereka setidaknya memberikan titik awal baru untuk penelitian tentang blok bangunan dan perilaku dasar mereka.

Temuan ini tidak hanya bermanfaat bagi penelitian fisika partikel dan material, tetapi juga dapat memberikan wawasan baru tentang astrofisika: “Dengan melihat blok penyusun terkecil dari materi, kita juga dapat memahami fenomena yang terjadi di dimensi yang lebih besar – seperti penggabungan dua neutron. bintang. “Mas berkata: Fisika ekstrem ini keren sekali.” (Fisika Alam, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01345-6)

Sumber: Universitas Mainz

10.November 2021

– Nadia Podebrigar