Měření struktury protonu v experimentu H1 na HERA

Hloubkový nepružný rozptyl elektronů na protonech při vysokých energiích je nejvhodnější metodou ke studiu vnitřní struktury protonu. Elektron zkoumá proton a jeho složky prostřednictvím elektromagnetické interakce stejným způsobem, který byl použit ve známém Rutherfordově pokusu (rozptyl α částic na Au folii). Elektrony při rozptylu vysílají virtuální fotony směrem k protonu a zkoumají jeho vnitřní strukturu podobným způsobem, jakým elektronový mikroskop pořizuje obraz zkoumaného objektu. Za použití obřího detektoru změřila kolaborace H1 účinný průřez inkluzivního hloubkového nepružného rozptylu, který je úměrný pravděpodobnosti se kterou se elektron ze svazku odrazí od kvarku uvnitř protonu. Přesné změření tohoto účinného průřezu je porovnáno s předpovědí kvantové chromodynamiky (QCD), moderní polní teorie, která popisuje silnou interakci jako výměnu barevných gluonů mezi kvarky uvnitř protonu. Ve velké části kinematické oblasti je účinný průřez hloubkového nepružného rozptylu vyjádřen jako lineární kombinace rozdělovacích funkcí jednotlivých druhů kvarků uvnitř protonu.

Účinný průřez rozptylu elektronů/pozitronů na protonu změřený v experimentu H1 (černé body) a v dřívějších experimentech BCDMS a NMC. Na datech je patrné tzv. narušení škálování (měřené body při stejných hodnotách x závisejí na Q2), což je projev vyzařování gluonů kvarky uvnitř protonu.

Fotony zprostředkovávají elektromagnetickou interakci pouze s nabitými kvarky a ne s elektricky neutrálními gluony. Nicméně vyražený kvark je k přítomnosti gluonů uvnitř protonu citlivý. Při velkých hodnotách x hybnosti kvarků mohou kvarky ztratit podstatnou část hybnosti tím, že vyzáří gluony ještě před tím, než dojde k interakci s virtuálním fotonem. Naopak gluony se mohou přeměnit na páry (mořských) kvarků, které po té mohou interagovat s fotonem při malých hodnotách x hybností kvarků. Tyto procesy lze rozlišit, pokud je rozlišovací schopnost fotonové sondy, určená velikostí virtuality fotonu Q2, dostatečná. Množství kvarků, které budou rozptýleny virtuálním fotonem, roste tedy s klesající hodnotou x a tento růst je určený rozdělením hybností gluonů. A to je právě to, co se pozoruje, viz obrázek výše. Tento jev dostal název narušení škálování a je dobře popsán pomocí teoretického výpočtu za použití kvantové chromodynamiky (barevné křivky). Rozdíl ve velikosti účinného průřezu v rozptylu elektronů (modré body) a pozitronů (červené) body pro velké hodnoty Q2 je způsoben slabou interakcí, která na rozdíl od dominantní elektromagnetické interakce je různá pro elektrony a pozitrony. Na dolním obrázku jsou zobrazeny partonové hustoty uvnitř protonu pro čtyři skupiny konstituentů získaná analýzou účinných průřezů elektronů/pozitronů na protonech. Jedná se valenční kvarky uv a dv, dále tzv. mořské kvarky S a gluony g. Zde je dokumentována příčina narušení škálování experimentálně pozorovaná – hustota gluonů výrazně převyšuje hustoty všech ostatních druhů partonů.

Partonové rozdělovací funkce (partonové hustoty) pro proton získané ze změřených účinných průřezů rozptylu v experimentu H1. Hustoty pro gluony S a mořské kvarky jsou vynásobeny faktorem 0,01. Neurčitosti zahrnují experimentální chyby, modelové neurčitosti a chyby při stanovení parametrů modelů.

Pro detekci rozptýleného elektronu jsou nejdůležitější subdetektory - BST (Backward Silicon Tracker), SPACAL (Spagheti Calorimeter) a kalorimetr s tekutým argonem. Fyzikové a technici z FZÚ se podíleli na konstrukci a výrobě a dále provozu a kalibraci těchto subdetektorů během měření a rovněž na analýze dat a získaných fyzikálních výsledcích.

Publikace: