Фізики вперше застосували кварки та глюони для опису властивостей атомного ядра.

Майже 100 років пройшло з моменту відкриття основних компонентів ядер атомів: протонів і нейтронів. Спочатку вони вважалися неділимі, але в 1960-х роках вчені припустили, що при дослідженнях на достатньо високих енергіях протони і нейтрони розкриють свою внутрішню структуру — наявність кварків, які постійно утримуються глюонами.

Невдовзі існування кварків підтвердили експериментально. Проте нікому не вдалося відтворити за допомогою кварк-глюонних моделей результати ядерних експериментів на низьких енергіях, коли в атомних ядрах видні лише протони і нейтрони.

Експерименти показують, що при відносно низьких енергіях атомні ядра поводяться так, ніби складаються з нуклонів — протонів і нейтронів, тоді як при високих енергіях в атомних ядрах «видно» кварки і глюони. Результати зіткнень атомних ядер з електронами досить добре відтворюються за допомогою моделей, які припускають існування лише нуклонів для опису низькоенергетичних зіткнень або лише партонів — кварків і глюонів — для високоенергетичних зіткнень. Цей багаторічний глухий кут подолали вчені з міжнародної колаборації nCTEQ з кварк-глюонних розподілів.

Фізики з Інституту атомної фізики Польської академії наук скористалися даними про високоенергетичні зіткнення, включаючи зібрані на Великому адронному колайдері в ЦЕРН. Основною метою стало вивчення партонної структури атомних ядер на високих енергіях, яка сьогодні описується функціями розподілу партонів (parton distribution functions, PDFs).

Ці функції використовуються для відображення розподілу кварків і глюонів всередині протонів і нейтронів та по всьому атомному ядру. За допомогою функцій PDF для атомного ядра можна експериментально визначити ймовірність утворення конкретної частинки при зіткненні електрона або протона з ядром.

Запропонований у новій науковій роботі підхід розширює опис функцій розподілу партонів. Вчені надихнулися застосуванням, яке використовують для опису низькоенергетичних зіткнень ядерними моделями. У них припускається, що протони і нейтрони об’єднуються в сильно взаємодіючі корельовані пари нуклонів: протон — нейтрон, протон — протон і нейтрон — нейтрон.

Новий підхід дозволив визначити для 18 вивчених атомних ядер функції розподілу партонів в атомних ядрах, розподіли партонів у корельованих парах нуклонів і навіть кількість таких корельованих пар. Результати підтвердили спостереження, відоме з низькоенергетичних експериментів: більшість корельованих пар — це пари протон — нейтрон.

Перевага запропонованого підходу полягає в тому, що він забезпечує більш точне опис експериментальних даних у порівнянні з традиційними методами, які використовуються для визначення розподілів партонів в атомних ядрах. Дослідники внесли покращення для моделювання явища спарювання певних нуклонів. Вони визнали, що цей ефект може мати значення на рівні партонів. Це дало концептуально спростити теоретичне описання, що в майбутньому повинно дозволити нам точніше вивчати розподіли партонів для окремих атомних ядер.

Згода теоретичних передбачень з експериментальними даними означає, що, застосовуючи партонну модель та дані з області високих енергій, вперше вдалося відтворити поведінку атомних ядер. Досі вона пояснювалася виключно нуклонним описом і даними низькоенергетичних зіткнень. Результати описаних досліджень відкривають нові перспективи для кращого розуміння структури атомного ядра, об'єднуючи його високі та низькі енергетичні аспекти.

Наукова робота опублікована в журналі Physical Review Letters.