Nové měření prohlubuje dlouhodobou záhadu v rozptylu elektronů
Proč se chová olovo tak odlišně od ostatních atomových jader při zásahu elektrony? Tým fyziků z Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) učinil důležitý krok směrem k odpovědi na tuto otázku, ale zjistil, že záhada je ještě hlubší, než se dříve myslelo. Výsledky byly publikovány v odborném časopise Physical Review Letters.
Obvykle se elektrony od atomových jader rozptylují způsobem, který lze předpovědět s pozoruhodnou přesností. Jednou z dobře prokázaných vlastností je, že převrácení spinů přicházejících elektronů by mělo mírně změnit rozptylový vzor, což je jev řízený výměnou dvou „virtuálních fotonů“ mezi elektronem a jádrem.
Pro většinu jader teorie přesně předpovídá, jak velký by tento drobný efekt měl být, a desetiletí experimentů toto tvrzení potvrdila. Olovo se však vždy odlišovalo. Dřívější měření provedená na Thomas Jefferson National Accelerator Facility ukázala, že pro olovo se tento spinově závislý efekt zdál zcela mizet, což žádná existující teorie nedokázala vysvětlit.
Experiment na Mainz Microtron
V novém experimentu provedeném s vysokorychlostními A1 spektrometry na Mainz Microtron (MAMI) tým JGU změřil stejný proces při jiné energii paprsku a úhlu rozptylu. Tentokrát byl efekt jasně přítomný a překvapivě velký. Místo toho, aby vyřešilo předchozí anomálii, nové měření ji pouze zintenzivňuje: chování jádra olova se s energií drasticky mění způsobem, který současná teorie nezachycuje.
„Tento výsledek potvrzuje, že záhada je skutečná,“ říká profesorka Dr. Concettina Sfienti, která projekt vede. „To znamená, že existuje neprozkoumaná fyzika v tom, jak elektrony zkoumají těžká jádra, a potřebujeme nové teoretické myšlenky, abychom tomu porozuměli.“
Práce byla provedena v rámci Spolupracujícího výzkumného centra (CRC) 1660 „Hadrony a jádra jako nástroje objevování“. Hlavním úkolem CRC 1660 je využívat precizní experimenty k odhalování subtilních efektů ve struktuře jader, které by mohly otevřít nová okna do Standardního modelu částicové fyziky. Neočekávané chování olova nyní vystupuje jako jeden z nejzajímavějších případů CRC, výjimečný příklad toho, jak měření s vysokou přesností mohou odhalit mezery i v dobře zavedené teorii.
Významné dopady na budoucí experimenty na MESA
Tato zjištění mají také silné důsledky pro budoucí experiment P2 na novém urychlovači MESA, který se v současnosti staví na kampusu v Mainz jako součást Clusteru excelence PRISMA++. Na MESA budou výzkumníci měřit extrémně malé efekty v rozptylu elektronů, aby testovali Standardní model s bezprecedentní přesností. Pochopení role výměny dvou fotonů v těžkých jádrech—jako je překvapivé chování nyní pozorované v olově—je nezbytné pro dosažení potřebné přesnosti na P2.
„Díky tomuto novému výsledku z MAMI získáváme mnohem jasnější představu o tom, co musí být pochopeno, než se posuneme k další úrovni přesnosti na MESA,“ vysvětluje Sfienti. „To, co dnes měříme, přímo utváří cestovní mapu pro fyziku s vysokou přesností zítra.“
