La profesora Fatiha Benmokhtar lleva a cabo experimentos avanzados en el Laboratorio Jefferson utilizando el detector Cerenkov de imágenes de anillo híbrido para investigar la estructura de los protones.
Comprender la estructura de los quarks y gluones de protones, los componentes fundamentales de la materia visible, es un objetivo central de la física nuclear moderna y una prioridad máxima del programa a largo plazo del Comité Asesor de Ciencias Nucleares (NSAC) del Departamento de Energía de EE. UU./NSF. En la teoría de las interacciones fuertes, la cromodinámica cuántica (QCD), los protones aparecen como estados relativistas y fuertemente unidos de quarks y gluones casi sin masa (llamados colectivamente partones). Décadas de investigación experimental y teórica han proporcionado conocimientos profundos sobre la dinámica del parton, pero quedan preguntas importantes sin respuesta. Entre ellos, el origen del giro de los protones destaca como uno de los desafíos más fascinantes. El espín es una propiedad cuántica fundamental y es esencial para investigar la estructura de los nucleones. Las mediciones han demostrado que los espines de los quarks representan sólo alrededor de un tercio del espín total de un protón, y que los espines de los gluones por sí solos no pueden explicar la contribución restante. Esto plantea una pregunta importante: ¿el componente faltante se origina en el momento angular orbital del partón? Para abordar esta cuestión se requieren mediciones precisas y marcos teóricos sofisticados.
Comprender la estructura del espín de los protones mediante experimentos SIDIS
Los experimentos integrales y semiinclusivos de dispersión inelástica profunda polarizada (SIDIS) en instalaciones como el CERN, SLAC, DESY y el Laboratorio Jefferson han logrado avances significativos en nuestra comprensión de la estructura de espín de los protones. Sin embargo, la contribución de los quarks extraños sigue estando mal determinada debido a su pequeña magnitud y a los desafíos experimentales que supone aislar la señal del quark extraño, que se basa en el etiquetado de kaones y tiene incertidumbres de fragmentación. Se requieren mediciones semicompletas utilizando los hadrones identificados para determinar con precisión la distribución de quarks extraños. Debido al confinamiento de los quarks, los quarks individuales no pueden observarse de forma aislada. Las especies de hadrones más adecuadas para evaluar la presencia de quarks extraños y/o anti-extraños en relación con los protones son las partículas llamadas kaones. Por ejemplo, kaon plus (que consta de un quark up y un antiquark extraño) y kaon minus (que consta de un antiquark up y un quark extraño).
Con el apoyo continuo de la Fundación Nacional de Ciencias, el profesor Benmoctor trabaja en experimentos de dispersión de electrones y protones en el Laboratorio Nacional Thomas Jefferson. Desde que se unió a la Universidad de Duquesne, ha asesorado y capacitado a más de 50 estudiantes universitarios en este proyecto. Su contribución al mar de extrañezas comenzó con el experimento G0 en la Sala C. El experimento midió la contribución de un mar de extraños quarks a las propiedades electromagnéticas de los protones. ¹ Desde 2018, el acelerador continuo de haz de electrones del Laboratorio Jefferson se ha actualizado a 12 GeV, y el profesor Benmoctor está llevando a cabo el experimento SIDIS en la Sala B utilizando el detector CLAS12. Se agregaron dos detectores Ring Imaging Cerenkov (RICH) al instrumento de referencia para identificar kaones en el rango de impulso de 3 a 8 GeV/c.
¿Qué es un detector RICH?
El detector RICH es un dispositivo que permite la identificación de partículas subatómicas cargadas mediante la detección de la radiación Cerenkov emitida (en forma de fotones) por las partículas que atraviesan un medio con índice de refracción n. La identificación se realiza midiendo el ángulo de emisión θc de la radiación de Cherenkov, que está relacionado con la velocidad de la partícula cargada v mediante cos θc = c/(nv), donde c es la velocidad de la luz. Las partículas con diferentes masas pero con el mismo impulso se pueden distinguir por los distintos contornos de los fotones emitidos. CLAS12, ubicado en la Sala B del Instituto Jefferson, es un espectrómetro magnético basado en un campo magnético toroidal generado por seis bobinas que dividen naturalmente el espectrómetro en seis sectores independientes. El instrumento de referencia CLAS12 consta de un sistema de tiempo de vuelo (TOF) que puede discriminar eficientemente hadrones con un impulso de hasta aproximadamente 3 GeV/c y dos contadores de gas Cherenkov con umbrales alto (HTCC) y bajo (LTCC), alcanzando la capacidad de bloqueo de piones requerida solo cerca del límite superior del impulso hadrónico (aproximadamente 7 GeV/c) y sin poder distinguir entre kaones y protones. El detector híbrido RICH fue diseñado y construido en colaboración con el Profesor Benmokhtar y sus colaboradores de la Universidad de Duquesne, el Grupo INFN en Italia (Dr. M. Contalbrigo y Dr. M. Mirazita), el Laboratorio Jefferson de EE. UU. (Dr. V. Kubarovsky y Dr. P. Rossi, y Dr. Avakian), el Laboratorio Nacional Argonne (Dr. K. Hafidi) y la Universidad de Connecticut (Profesor K. Joo, Dra.). Kim, Dr. T. Hayward). Como se muestra en la Figura 3, se construyeron e instalaron dos detectores RICH completos en CLAS12 en el otoño de 2018 y mayo de 2022, respectivamente. Los componentes del híbrido RICH se muestran a la derecha.
El detector Ring Imaging Cherenkov (RICH) está diseñado para mejorar la discriminación de partículas de CLAS12 para momentos entre 3 y 8 GeV/c y reemplaza dos sectores del detector LTCC existente. Su diseño integra un radiador de aerogel, un detector de fotones de luz visible y un sistema de espejo de enfoque, reduciendo el área de cobertura del detector de fotones a aproximadamente 1 m². Los tubos fotomultiplicadores de ánodos múltiples (MA-PMT) proporcionan la resolución espacial necesaria y están optimizados para el espectro óptico de aerogel Cherenkov en las regiones visible y ultravioleta cercana. Para partículas dispersadas hacia adelante con momentos entre 3 y 8 GeV/c (θ <13°), se emplea una técnica de imágenes cercanas que utiliza un aerogel delgado (2 cm) y detección directa de luz Cerenkov. Para partículas con ángulos de incidencia mayores (13° < θ < 25°) y momentos de 3 a 6 GeV/c, la luz de Cerenkov se genera en un aerogel grueso (6 cm), enfocado por un espejo esférico, pasa dos veces a través de un emisor delgado y se refleja en un espejo plano antes de la detección. En la figura anterior se muestra un ejemplo de un anillo de Cherenkov para luz directa y reflejada.
El desarrollo y caracterización de este detector ha dado lugar a numerosas publicaciones y ahora se utiliza para extraer física, como la producción de singles y dihadrones en SIDIS. Esta investigación ha arrojado resultados físicos preliminares interesantes, y se espera que los resultados finales se publiquen en los próximos años.
Agradecimientos: La investigación del profesor Benmokhtar cuenta con el apoyo de la subvención número Benmokhtar-2310067 de la Fundación Nacional de Ciencias. El Grupo INFN en Italia cuenta con el apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención número 824093 (STRONG2020). Nos gustaría agradecer a los científicos e ingenieros del Jefferson Lab por sus contribuciones al proyecto RICH.
Referencias
Contribución a la violación de la asimetría en experimentos de dispersión de electrones con ángulo de retroceso G0 de quarks extraños,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.104.012001 CLAS12 de Jefferson Lab: https://www.jlab.org/physics/hall-b/clas12 Detector RICH: https://www.jlab.org/Hall-B/clas12-web/specs/rich.pdf CLAS12 óptico híbrido de área grande RICH: Los primeros años de adquisición de datos 10.1016/j.nima.2023.168758, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900223007490
Este artículo también se publicará en el número 24 de la revista trimestral.
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