Uogólnione rozkłady partonów (generalised parton distributions, GPDs) to jedno z kluczowych narzędzi współczesnej fizyki cząstek. Pozwalają one opisywać, jak zbudowana jest materia na najgłębszym, subatomowym poziomie. Do tej pory większość wiedzy na temat GPD pochodziła z badań takich zjawisk jak rozpraszanie Comptona czy produkcja mezonów. W nowej pracy teoretycznej, współautorem której jest naukowiec z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, przeanalizowano inne, mniej poznane zjawisko – fotoprodukcję pary foton–mezon, które może dostarczyć nowych informacji o oddziaływaniach najmniejszych składników materii.

Analizy oparte na GPD pozwalają badać wewnętrzną strukturę nukleonu, m.in. sposób, w jaki jego składniki niosą pęd oraz jak rozkłada się on pomiędzy nimi. Uzyskanie pełnego obrazu wymaga jednak łączenia danych pochodzących z różnych procesów fizycznych. Dotychczas dominującą rolę odgrywały głęboko wirtualne rozpraszanie comptonowskie (DVCS) oraz głęboko wirtualna produkcja mezonów (DVMP), które zostały dobrze opisane zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie. Uzupełnieniem tych badań może być właśnie fotoprodukcja par foton–mezon – proces, którym interesuje się obecnie wiele zespołów badawczych na świecie.

Niedawno wyniki nowych badań teoretycznych na ten temat opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Physical Review D. Jednym z autorów pracy jest prof. dr hab. Lech Szymanowski z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. Jak wyjaśnia, badania dotyczą twardej fotoprodukcji par foton–mezon pseudoskalarny, takich jak pion, eta czy eta’, w ramach chromodynamiki kwantowej (QCD). Nowym elementem analizy było uwzględnienie wkładu gluonów w strukturze mezonów eta i eta’, co ma szczególne znaczenie w przypadku produkcji pary foton–eta’.

Zespół wyprowadził wzory opisujące szczegółowo poszczególne etapy procesu fotoprodukcji, co pozwoliło m.in. oszacować przekroje czynne dla produkcji par foton–pion oraz zbadać wpływ wewnętrznej struktury mezonów na cały proces. W pracy omówiono także możliwości przyszłej weryfikacji tych wyników w eksperymentach prowadzonych w ośrodkach badawczych, takich jak Jefferson Lab, eksperyment COMPASS w CERN, powstający Electron-Ion Collider w Brookhaven National Laboratory czy wybrane zderzenia w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Szczególnie istotne są tu analizy dotyczące par foton–pion, odpowiadające zakresowi parametrów badanych w JLab i COMPASS.

Jak podkreśla prof. Lech Szymanowski, główną motywacją badań było to, że procesy fotoprodukcji par foton–mezon są wyjątkowo czułe na kształt rozkładów partonów w nukleonie. Uzyskane wyniki stanowią solidną podstawę teoretyczną i numeryczną dla dalszych badań, które mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia struktury materii.

Wyniki badań są dostępne w publikacji: N. Crnkowić, G. Duplančić, S. Nabeebaccus, K. Passek-K., B. Pire, L. Szymanowski, S. Wallon, Hard exclusive photoproduction of photon-meson pairs: Pseudoscalar channels π, η and η’, Phys. Rev. D 113, 034001 (2026),  https://doi.org/10.1103/g9m4-9r9c