Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Om de kern van een atoom te begrijpen, vertrouwen wetenschappers al lange tijd op twee zeer verschillende manieren om naar de wereld te kijken. Eén benadering maakt gebruik van experimenten met lage energie, waarbij bundels deeltjes het oppervlak van een kern voorzichtig verkennen, wat de gemiddelde vorm en grootte onthult. De andere methode gebruikt botsingen met hoge energie, waarbij atomen tegen bijna de snelheid van het licht op elkaar worden geslagen om een kortstondige, verzengende vuurball van subatomaire deeltjes te creëren. Decennialang bleven deze twee werelden grotendeels gescheiden. De botsingen met hoge energie werden primair gezien als een manier om de fundamentele krachten te bestuderen die materie bij elkaar houden, terwijl de methoden met lage energie de standaard waren voor het in kaart brengen van de structuur van individuele atomen. Echter, een nieuw perspectief is ontstaan: de gewelddadige botsing zelf kan fungeren als een camera, die een snapshot neemt van de interne ordening van de kern voordat deze wordt vernietigd. Dit is mogelijk omdat de botsing zo snel plaatsvindt dat de posities van de protonen en neutronen binnen de kern effectief op hun plaats bevroren blijven tijdens de impact. Door de brokstukken te analyseren die na de crash vrijkomen, kunnen natuurkundigen achteruit werken om de ordening van die deeltjes te reconstrueren, waardoor ze de kern effectief in beeld brengen op een manier die voorheen onmogelijk was.

Een team van onderzoekers bij CERN heeft dit concept nu een aanzienlijke stap verder gebracht door data van de Large Hadron Collider te gebruiken om een gedetailleerde afbeelding te maken van de grondtoestand van de xenon-129-kern. In een recent gepubliceerde studie combineerden zij een model van de kern als een draaiend, vervormd object met complexe computersimulaties van de resulterende botsing. Het doel was om verder te gaan dan het simpelweg raden van de vorm van de kern en in plaats daarvan precieze, kwantitatieve metingen te extraheren van hoe de protonen en neutronen met elkaar gecorreleerd zijn. Door de patronen van deeltjes te analyseren die voortkomen uit botsingen tussen xenonatomen, en deze te vergelijken met botsingen tussen loodatomen, kon het team vaststellen dat de xenon-129-kern geen perfecte bol is, noch een eenvoudige ovaal. In plaats daarvan bezit het een complexe, driezijdige asymmetrie, een vorm die overeenkomt met de theoretische voorspellingen voor dit specifieke isotoop. Deze prestatie markeert een verschuiving van kwalitatieve observatie naar kwantitatieve meting, waardoor wetenschappers deeltjesversnellers kunnen gebruiken als precisie-instrumenten voor het in kaart brengen van de interne geometrie van atoomkernen.

Het proces steunt op de unieke omstandigheden die ontstaan wanneer twee zware ionen botsen met ultra-relativistische snelheden. Wanneer een xenonkern tegen een andere botst, vindt de interactie plaats in minder dan een yoctoseconde, een tijdschaal die zo kort is dat de protonen en neutronen binnen de kern niet kunnen bewegen of zichzelf kunnen herordenen tijdens de impact. Ze zijn bevroren in de configuratie die ze hadden vlak voor de crash. Deze bevroren configuratie wordt vervolgens geprojecteerd op het vlak van de botsing, wat een specifiek geometrisch patroon creëert. Dit patroon bepaalt hoe de resulterende vuurball van hete materie, bekend als het quark-gluonplasma, expandeert en afkoelt. Als de kern rond is, expandeert de vuurball gelijkmatig. Als de kern uitgerekt of afgeplat is, expandeert de vuurball in sommige richtingen meer dan in andere. Door de uiteindelijke stroom deeltjes te meten die uit deze vuurball komt, specifiek hoe ze in relatie tot elkaar bewegen, kunnen natuurkundigen de vorm van de oorspronkelijke kern afleiden.

De onderzoekers richtten zich op het xenon-129-isotoop, dat bekend staat als vervormd, wat betekent dat het geen perfecte bol is. Ze gebruikten een statistische methode genaamd Bayesiaanse inferentie om een enorme dataset van botsingen te analyseren. Deze methode stelde hen in staat om miljoenen mogbare vormen en oriëntaties te testen tegen de experimentele data om te zien welke ervan overeenkwamen met de geobserveerde deeltjesstromen. Ze ontdekten dat de data sterk steun biedt aan een model waarbij de xenonkern triaxiaal is, wat betekent dat het drie ongelijke assen heeft, wat lijkt op een licht afgeplatte, onregelmatige vorm in plaats van een eenvoudige rugbybal of een pannenkoek. De studie bepaalde dat de vervorming bijna maximaal is, met een specifieke asymmetriehoek van ongeveer 40 graden. Dit resultaat is significant omdat het overeenkomt met onafhankelijke berekeningen gemaakt door andere theoretische methoden, wat bevestigt dat de benadering met botsingen met hoge energie betrouwbaar gedetailleerde structurele informatie kan extraheren die voorheen alleen toegankelijk was via experimenten met lage energie.

Naast het louter bevestigen van de vorm, leverde de studie de eerste experimentele metingen van specifieke correlaties tussen de protonen en neutronen binnen de kern. In een kwantumsysteem is de positie van één deeltje vaak gekoppeld aan de positie van een ander, een fenomeen dat bekend staat als correlatie. De onderzoekers waren in staat deze links te kwantificeren voor zowel paren deeltjes als groepen van drie. Ze vonden dat de ordening van deze deeltjes een duidelijk kenmerk creëert in de botsingsresten. Zo maten ze bijvoorbeeld hoe de totale grootte van de kern zich verhoudt tot de vorm, en vonden een specifieke relatie die waar is voor dit isotoop. Deze metingen dienen als nieuwe benchmarks voor theoretici die proberen fundamentele modellen van de kern vanaf de basis op te bouwen. Door concrete getallen te leveren voor deze correlaties, biedt de studie een nieuwe manier om de theorieën te testen en te verfijnen die beschrijven hoe de sterke kernkracht materie bij elkaar houdt.

De implicaties van dit werk reiken verder dan de structuur van een enkel atoom. Het vermogen om gedetailleerde kernstructuur te extraheren uit botsingen met hoge energie opent een nieuwe weg voor het bestuderen van de fundamentele eigenschappen van materie. De onderzoekers merkten op dat hun bevindingen kunnen helpen bij het verbeteren van berekeningen voor neutrinoless double-beta decay, een zeldzaam proces dat, indien waargenomen, zou bewijzen dat neutrino's hun eigen antideeltje zijn. Het begrijpen van de precieze ordening van nucleonen in de ouder-kernen is cruciaal voor het voorspellen van de snelheid van dit verval. Bovendien zouden de hier ontwikkelde technieken toegepast kunnen worden op andere isotopen, wat potentieel nieuwe details onthult over de kernkracht en het gedrag van materie onder extreme omstandigheden. De studie raakte ook aan de lood-208-kern, waarbij bewijs werd gevonden voor een ander type vervorming dat door andere experimenten was gesuggereerd, wat de gevoeligheid van de methode verder valideert.

Dit onderzoek demonstreert dat de Large Hadron Collider, vaak geassocieerd met de zoektocht naar nieuwe deeltjes en de oorsprong van het universum, ook kan dienen als een krachtige microscoop voor de atoomkern. Door de botsing te behandelen als een plotselinge sonde die de kernconfiguratie bevriest, hebben wetenschappers een destructieve gebeurtenis omgevormd tot een bron van precieze structurele informatie. Het succes van het team in het in kaart brengen van de xenon-129-kern suggereert dat deze benadering gebruikt kan worden om de grondtoestanden van vele andere isotopen te verkennen, wat een schat aan nieuwe data oplevert voor kernkundigen. De bevindingen bevestigen dat de complexe, veel-lichamen-dynamica van protonen en neutronen een duidelijk en meetbaar evenement achterlaat in de restanten van botsingen met hoge energie, waardoor de kloof tussen de wereld van de hoge-energie deeltjesfysica en de wereld van de lage-energie kernstructuur wordt overbrugd.