Hvordan fik protonen sit spin?

Beregning af en protons spin plejede at være en let college -opgave. Faktisk, Carl Gagliardi husker, at han besvarede det spørgsmål, da han var fysikstuderende i 1970'erne. Men det virkelige svar viste sig slet ikke at være simpelt. Selv Gagliardis "rigtige" svar blev modbevist ved forsøg nogle få år senere, der vendte feltet på hovedet.

Protoner er en af ​​de tre partikler, der udgør atomer, universets byggesten. En protons spin er en af ​​dens mest basale egenskaber. Fordi protoner til dels består af kvarker, forskere formodede, at protonspinnene kun var summen af ​​kvarkspinnene.

Men undersøgelser i 1980'erne viste, at virkeligheden er langt mere kompleks. Siden da, Gagliardi og andre forskere har brugt det unikke DOE Office of Science User Facilities ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) og Brookhaven National Laboratory til at udforske dette fundamentale fænomen.

Undersøgelse af en naturkraft

Protoner har altid "spin". Retningen og styrken af ​​et protons spin bestemmer dets magnetiske og elektriske egenskaber. Ændringer i protonets spin ændrer også dets struktur.

"Ved at forstå, hvordan [en protons komponenter] spiller ud af hinanden for at producere spin, vi kan lære om, hvordan Moder Natur bygger en proton, sagde Gagliardi, nu forsker ved Cyclotron Institute ved Texas A&M. Han samarbejder om arbejdet hos Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), et DOE Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory på Long Island, New York.

At have et bedre greb om protons spin og struktur kan føre til uventede fordele. Ligesom James Clerk Maxwells opdagelser om elektromagnetisme i 1860'erne lagde grunden til nutidens elektronik, nogle forskere mener, at forståelse af protonspin kan føre til lignende fremskridt.

"[Maxwells ligninger] var menneskehedens beherskelse over en grundlæggende naturkraft, elektromagnetisme, "sagde John Lajoie, en forsker i Iowa State, der arbejder med RHIC. "Det, vi forsøger at gøre, er at få en grundlæggende forståelse af den kraft, der binder kvarkerne til protonen."

Uventede fund

"At studere spin i fysik har ført til mange overraskelser, "sagde Elke-Caroline Aschenauer, der leder Brookhavens forskningsgruppe med fokus på protonspin. Men naturen har ikke let opgivet sine hemmeligheder.

Forskere troede først, at hver proton udelukkende bestod af tre kvarker, som tilsammen bestemte rotationen. Kvarker er elementære partikler, som forskere ikke har kunnet nedbryde i mindre dele.

Men jo tættere de så, jo mere komplekst blev billedet. Det indledende eksperiment ved European Organization for Nuclear Research (CERN) foreslog, at quark -spins næsten ikke bidrog til protonspinnet. Siden da, mere præcise forsøg har øget kvark -spin -bidraget til 25 til 30 procent. Det efterlader en hel del uberettiget.

I stedet for at blive skuffet, mange fysikere var begejstrede.

"Jeg lever for at tage fejl "sagde Lajoie." Det er der, vi lærer. "

Slå partikler sammen

For at undersøge protoner og andre subatomære partikler, forskere bruger acceleratorer til at kollidere dem ved hastigheder nær lysets hastighed.

"Partikelfysikere har egentlig ikke udviklet sig meget længere end hulemændenes dage med hensyn til at slå to sten sammen, "spøgte Lajoie.

Acceleratorerne på Brookhaven og Jefferson Labs har den unikke evne til at polarisere strømme af partikler. Det betyder, at de koordinerer partiklernes spins, så de flugter i samme retning.

På den kontinuerlige elektronstråleacceleratorfacilitet (CEBAF), en DOE Office of Science User Facility på Jefferson Lab i Newport News, Virginia, maskinen skyder en polariseret elektronstråle ind i et stationært mål. Målet er også polariseret. At kollidere elektronstrålen med protoner eller neutroner i målet giver forskere særlig god indsigt i kvarkers bidrag til spin. Når strålen rammer målet, partikler spredes i forskellige vinkler. Et elektronspektrometer identificerer derefter, hvilke typer og hvor mange partikler der er resultatet af forsøget.

RHIC ved Brookhaven sender to stråler af protoner gennem en fire kilometer lang tunnel. Når de støder sammen, partiklerne river hinanden fra hinanden og omgrupperes straks. De slår to detektorer i husstørrelse, der indsamler data om deres retning, momentum, og energi.

"Det er bare en fantastisk bedrift for menneskeheden, "sagde Ernst Sichtermann, en forsker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory og stedfortræder for en af ​​RHIC's eksperimenter.

Som den eneste facilitet, der kan polarisere og kollidere protoner, RHIC er nyttig til at forstå gluons bidrag. Gluoner er de partikler, der holder kvarker sammen for at danne protoner og neutroner.

Sammenligning og kontrast af resultater er en væsentlig del af protonspinforskning. Begge laboratorier udfører eksperimenter, der undersøger, hvad der sker, når du kolliderer partikler, der snurrer i samme retning mod dem, der snurrer i modsatte retninger. For at bestemme, hvordan en bestemt partikel, såsom en gluon eller kvark, bidrager til spin, forskere sammenligner antallet og typen af ​​partikler, der skyldes forskellige konfigurationer af bjælker og mål.

En af de største udfordringer er at indsamle og analysere den utrolige mængde data. Meget af arbejdet fokuserer på at indsamle de korrekte data og minimere fejl eller skævheder.

"Det er her, man bliver en rigtig fysiker, "sagde Gagliardi." Femoghalvfems procent af den videnskabelige analysetid bruges på at identificere, kvantificere og begrænse disse forspændinger. "

Forståelse af bidragene

Ved hjælp af disse værktøjer, fysikere indså, at protonens struktur slet ikke er enkel. Det er et hav af skiftende kvarker og gluoner. Ud over, gluoner delte sig hurtigt i kortlivede par kvarker og antikvarker (kendt som havkvarker). Anti-kvarker har lignende egenskaber som kvarker, undtagen den modsatte afgift.

En række forsøg har undersøgt mulige kilder til spin.

Et eksperiment ved RHIC fandt ud af, at spins af anti-kvarker ofte ikke er justeret i samme retning. Som resultat, det er usandsynligt, at de bidrager meget til protonens spin.

En anden undersøgelse omhandlede gluons rolle. I 2014, forskere fandt eksperimentelle data, der viste, at gluoner bidrager betydeligt til protonspin. Faktisk, de bidrager med omkring 20 til 30 procent af det.

Et opfølgningseksperiment fokuserede på "wimpy" gluoner med lav fart. Tidligere undersøgelser havde undervurderet bidraget fra disse gluoner. Men kollisioner ved meget højere energier fandt ud af, at mens enkelte "skæve" gluoner næsten ikke bidrager med noget, det store antal af dem resulterer i ganske lidt indflydelse.

Der er en vigtig kilde, som forskere endnu ikke har undersøgt:orbital vinkelmoment. Orbital vinkelmoment stammer fra bevægelsen af ​​kvarkerne og gluonerne i forhold til hinanden. Mens teoretikere har udviklet simuleringer, der modellerer dette bidrag, forskere har ikke haft udstyr til at teste dem.

Det vil ændre sig med åbningen af ​​en større opgradering til CEBAF. Fordobling af acceleratorens energi og bedre opløsning vil give forskere mulighed for at studere kredsløbsmoment. Laboratoriets medarbejdere forventer at have den opgraderede accelerator fuldt kørende i det næste år.

"Der er ingen anden stråle som den andre steder i verden, "sagde Robert McKeown, Jefferson Labs vicedirektør for forskning.