Εστιάζοντας στο εσωτερικό του νουκλεονίου

Από την ιστοσελίδα Physics News Update, Δεκέμβριος 2003

Μια πολυεθνική ερευνητική ομάδα εργαζόμενη στις εγκαταστάσεις του επιταχυντή Thomas Jefferson στην Virginia, μπόρεσε να προσδιορίσει πως είναι προσανατολισμένα τα σπιν των κουάρκ στο εσωτερικό του πρωτονίου. 

Σε γενικές γραμμές τα σπιν αυτά μπορούν να θεωρηθούν σαν μικροσκοπικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες που έχουν μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και μια συγκεκριμένη ένταση πεδίου. Η πληροφορία για το σπιν των κουάρκ μπορεί να εξασφαλίσει νέες λεπτομέρειες για την διάταξη των μικροσκοπικών σωματιδίων στο εσωτερικό των νουκλεονίων (πρωτονίων ή νετρονίων). 

Ακόμη και στα βιβλία φυσικής των λυκείων, οι σπουδαστές διδάσκονται ότι ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο αποτελείται από 3 κουάρκ, τα οποία οι ειδικοί αποκαλούν "κουάρκ στιβάδας σθένους" κατ' αναλογία προς τα εξωτερικά ηλεκτρόνια ενός ατόμου.

Μια πληρέστερη εικόνα περιλαμβάνει αυτά τα 3 κουάρκ σθένους, συν μια θάλασσα από ζευγάρια κουάρκ -  αντικουάρκ, τα οποία ξεπηδούν από το κενό και τάχιστα εξαφανίζονται πάλι, και από σωματίδια που λέγονται γκλουόνια.

Η ανταλλαγή των γκλουονίων μεταξύ των κουάρκ εξηγεί τη δύναμη που συγκρατεί τα κουάρκ μεταξύ τους. 

Τώρα για πρώτη φορά, οι ερευνητές έχουν μετρήσει με ακρίβεια την κατανομή των σπιν για τα κουάρκ σθένους μέσα σ' ένα νετρόνιο. Με έκπληξη είδαν ότι τα αποτελέσματά τους αποκαλύπτουν την σημασία των παραμελημένων κατά το παρελθόν τροχιακών κινήσεων των κουάρκ μέσα στο νουκλεόνιο. 

Κατευθύνοντας μια δέσμη ηλεκτρονίων προς ένα στόχο ηλίου-3, οι ερευνητές υπό τη διεύθυνση του Jian-Ping Chen και Zein-Eddine Meziani, επέλεξαν μια δέσμη ενέργειας  5,7 GeV έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν κυρίως με τα κουάρκ σθένους του νετρονίου και όχι με τη θάλασσα των κουάρκ ή με τα γκλουόνια. 

Το ενδιαφέρον προήλθε από την εφαρμογή των καινούργιων δεδομένων για το νετρόνιο συγχρόνως με τα δεδομένα που υπήρχαν για το πρωτόνιο. Έτσι έμαθαν περισσότερα και για το πρωτόνιο.

Τα συμπεράσματά τους ήταν: Τα σπιν των δύο up-κουάρκ (u), του πρωτονίου είναι ευθυγραμισμένα παράλληλα με το συνολικό σπιν του πρωτονίου, ενώ το ίδιο δεν ισχύει για το down-κουάρκ (d), του πρωτονίου. Βλέπε και την αριστερή εικόνα. 

Το αποτέλεσμα αυτό δεν συμφωνεί με μια προσέγγιση που βγαίνει από τη θεωρία διαταρραχών της κβαντικής χρωμοδυναμικής (pQCD).

Η θεωρία αυτή είναι μια καθολικά αποδεκτή θεωρία για την ισχυρή αλληλεπίδραση, η οποία συγκρατεί το νουκλεόνιο χωρίς να διασπάται. Η προσέγγιση αυτή δεν λαμβάνει υπ' όψιν της τις τροχιακές στροφορμές των κουάρκ. Οι τροχιακές στροφορμές είναι αυτές που περιγράφουν τις "τροχιές" των κουάρκ μέσα στο νουκλεόνιο. 

Αντίθετα τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν καλά με τις προβλέψεις ενός σχετικιστικού μοντέλου για τα κουάρκ σθένους, το οποίο λαμβάνει υπ' όψιν την τροχιακή κίνηση των κουάρκ μέσα στο νουκλεόνιο.  

Αν και παραλείπεται η τροχιακή στροφορμή των κουάρκ, σε απλούστερα μοντέλα του νουκλεονίου, εντούτοις παίζει σπουδαίο ρόλο για ζητήματα γύρω από το σχήμα του πρωτονίου. Βλέπε για παράδειγμα το άρθρο στο περιοδικό New Scientist, 3 Μαΐου,2003.