Cложное протонное вращение

АПТОН, Нью-Йорк - Новые данные эксперимента STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) добавляют деталей и сложности к интригующей загадке, которую ученые пытались решить: как строительные блоки, из которых состоит протон, способствуют его вращению. Результаты, только что опубликованные в журнале Physical Review D, впервые окончательно показывают, что разные "ароматы" антикварков по-разному влияют на общее вращение протона - и это противоположно относительному изобилию этих ароматов.

"Это измерение показывает, что кварковая часть головоломки с протонным вращением состоит из нескольких частей", - сказал Джеймс Драченберг, заместитель представителя STAR из Христианского университета Абилина. "Это не скучная головоломка; она разделена неравномерно. Есть более сложная картина, и этот результат дает нам первое представление о том, как выглядит эта картина".

Это не первый случай, когда взгляды ученых на вращение протонов меняются. В 1980-х годах произошел полномасштабный спиновый "кризис", когда эксперимент в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) показал, что сумма спинов кварка и антикварка внутри протона может составлять в лучшем случае четверть от общего спина. RHIC, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории, был построен частично для того, чтобы ученые могли измерить вклад других компонентов, в том числе антикварков и глюонов (которые "склеивают" или связывают кварки и антикварки с образованием частиц, таких как протоныи нейтроны).

Антикварки существуют лишь мимолетно. Они образуются как пары кварк-антикварк, когда глюоны расщепляются.

"Мы называем эти пары морем кварков", - сказал Драхенберг. "В любой данный момент у вас есть кварки, глюоны и море кварк-антикварковых пар, которые каким-то образом вносят вклад в описание протона. Мы понимаем роль, которую эти морские кварки играют в некоторых отношениях, но не в отношении вращения ".

Исследуем аромат в море

Одним из ключевых соображений является то, способствуют ли разные "вкусы" морских кварков вращению по-разному.

Кварки бывают шести видов - восходящие и нисходящие разновидности, которые составляют протоны и нейтроны обычной видимой материи, и четыре других, более экзотических вида. Расщепление глюонов может привести к образованию пар кварк / антикварк, пар кварк / антикварк, а иногда и более экзотических пар кварк / антикварк.

"Нет причин, по которым глюон предпочел бы разделиться на один или другой из этих ароматов", - сказал Эрнст Зихтерманн, звездный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL), который играл ведущую роль в исследовании морских кварков. "Мы ожидали бы равного количества [восходящих и нисходящих пар], но это не то, что мы видим". Измерения в ЦЕРН и Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США неизменно обнаруживали больше антикварков вниз, чем вверх. антикварки.

"Поскольку есть этот сюрприз - асимметрия в изобилии этих двух ароматов - мы подумали, что также может быть сюрприз в их роли во вращении", - сказал Драхенберг. Действительно, более ранние результаты RHIC показали, что может быть разница в том, как два вкуса способствуют вращению, побуждая ЗВЕЗДНУЮ команду проводить больше экспериментов.

Достижение целей вращения

Этот результат представляет собой накопление данных из 20-летней программы RHIC spin. Это конечный результат одного из двух первоначальных столпов, мотивировавших программу spin на заре RHIC.

Для всех этих экспериментов STAR проанализировала результаты столкновений поляризованных протонов в RHIC - столкновений, при которых общее направление вращения двух протонных пучков RHIC было выровнено определенным образом. Поиск различий в количестве определенных частиц, образующихся при изменении направления вращения одного поляризованного протонного пучка, может быть использован для отслеживания выравнивания спинов различных составляющих - и, следовательно, их вклада в общее вращение протонов.

Для измерений морских кварков физики-ЗВЕЗДЫ подсчитали электроны и позитроны - версии электронов из антивещества, которые одинаковы во всех отношениях, за исключением того, что они несут положительный, а не отрицательный электрический заряд. Электроны и позитроны возникают в результате распада частиц, называемых W-бозонами, которые также бывают отрицательными и положительными, в зависимости от того, содержат ли они верхний или нижний антикварк. Разница в количестве электронов, образующихся при изменении направления вращения сталкивающегося протона, указывает на разницу в производстве W и служит подставкой для измерения выравнивания спинов антикварков. Аналогичным образом, разница в количестве позитронов обусловлена различием в производстве W + и выполняет роль дублера для измерения вклада спиновых искр.

Новый детектор, повышенная точность

Последние данные включают сигналы, полученные калориметром endcap STAR, который улавливает частицы, движущиеся близко к линии луча вперед и назад от каждого столкновения. Благодаря этим новым данным, добавленным к данным о частицах, появляющихся перпендикулярно зоне столкновения, ученые сузили неопределенность в своих результатах. Данные впервые окончательно показывают, что вращения восходящих антикварков вносят больший вклад в общее вращение протонов, чем вращения нисходящих антикварков.

"Эта "асимметрия вкуса", как ее называют ученые, удивительна сама по себе, но тем более удивительна, учитывая, что нижних антикварков больше, чем верхних", - сказал Цинхуа Сюй из Шаньдунского университета, другой ведущий ученый, который руководил одним из аспирантов, чей анализ был необходим для статьи.

Как отметил Зихтерманн, "Если вы вернетесь к исходной головоломке со спином протона, где мы узнали, что сумма спинов кварка и антикварка составляет лишь часть спина протона, следующие вопросы: каков вклад глюона? Каков вклад орбитального движения кварков и глюонов? Но также, почему вклад кварков так мал? Это из-за отмены вклада кварков и антикварков в вращение? Или это из-за различий между разными вкусами кварков?

"Предыдущие результаты RHIC показали, что глюоны играют значительную роль в спине протонов. Этот новый анализ дает четкое указание на то, что море также играет значительную роль. Это намного сложнее, чем просто расщепление глюонов на любой вкус, который вам нравится, - и это очень веская причина заглянуть глубже в море ".

Бернд Сурроу, физик из Университета Темпл, который помог разработать метод W-бозона и руководил двумя аспирантами, чьи анализы привели к новой публикации, согласен. "После нескольких лет экспериментальной работы в RHIC этот захватывающий новый результат обеспечивает существенно более глубокое понимание квантовых флуктуаций кварков и глюонов внутри протона. Это те фундаментальные вопросы, которые привлекают молодые умы - студентов, которые будут продолжать расширять границы наших знаний ".

Дополнительные измерения ЗВЕЗД могут дать представление о спиновых вкладах экзотических пар кварк / антикварк. Кроме того, американские ученые надеются глубже проникнуть в тайну спинов на предполагаемом будущем электронно-ионном коллайдере. Этот ускоритель частиц будет использовать электроны для непосредственного исследования спиновой структуры внутренних компонентов протона - и в конечном итоге должен решить загадку спинов протонов.