Overraskende resultat chokerer forskere, der studerer spin

Forestil dig at spille et spil billard, sætte en smule mod uret på stødbolden og se den bøje sig mod højre, mens den rammer sin målbold. med held, eller dygtighed, målbolden synker ned i hjørnelommen, mens den højrevendte stødbold snævert savner en ridse i sidelommen. Forestil dig nu, at din mod uret drejende stødbold slår en bowlingkugle i stedet for, og afbøje endnu stærkere - men til venstre - når den rammer den større masse.

Det svarer til den chokerende situation, videnskabsmænd befandt sig i, da de analyserede resultater af spinnende protoner, der rammer atomkerner af forskellig størrelse ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory. Neutroner, der produceres, når en roterende proton kolliderer med en anden proton, kommer ud med en lille skævhed mod højre. Men når den roterende proton kolliderer med en meget større guldkerne, neutronernes retningspræference bliver større og skifter til venstre.

"Det, vi observerede, var fuldstændig fantastisk, " sagde Brookhaven-fysiker Alexander Bazilevsky, en stedfortrædende talsmand for PHENIX-samarbejdet på RHIC, som rapporterer disse resultater i et nyt papir netop offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . "Vores resultater kan betyde, at mekanismerne, der producerer partikler langs den retning, hvori den roterende proton bevæger sig, kan være meget forskellige i proton-proton-kollisioner sammenlignet med proton-kerne-kollisioner."

Forståelse af forskellige partikelproduktionsmekanismer kan have store konsekvenser for fortolkning af andre højenergipartikelkollisioner, herunder vekselvirkningen mellem ultrahøjenergi kosmiske stråler med partikler i jordens atmosfære, sagde Bazilevsky.

Detektering af partiklers retningspræferencer

Spin-fysikere observerede først tendensen af ​​flere neutroner til at dukke lidt til højre i proton-proton-interaktioner i 2001-2002, under RHICs første polariserede protoneksperimenter. RHIC, som har været i drift siden 2000, er den eneste kolliderer i verden med evnen til præcist at kontrollere polariseringen, eller spin retning, af kolliderende protoner, så dette var nyt territorium på det tidspunkt. Det tog noget tid for teoretiske fysikere at forklare resultatet. Men den teori, de udviklede, udgivet i 2011, gav videnskabsmænd ingen grund til at forvente en så stærk retningsbestemt præference, når protoner kolliderede med større kerner, endsige et komplet vending i retning af den præference.

"Vi forventede noget, der ligner proton-proton-effekten, fordi vi ikke kunne komme i tanke om nogen grunde til, at asymmetrien kunne være anderledes, " sagde Itaru Nakagawa, en fysiker fra Japans RIKEN-laboratorium, som fungerede som PHENIX' stedfortrædende løbekoordinator for spinmålinger i 2015. "Kan du forestille dig, hvorfor en bowlingkugle ville sprede en stødbold i den modsatte retning sammenlignet med en målbillardkugle?"

2015 var året, hvor RHIC første gang kolliderede polariserede protoner med guldkerner ved høj energi, de første sådanne kollisioner noget sted i verden. Minjung Kim - en kandidatstuderende ved Seoul National University og RIKEN-BNL Research Center ved Brookhaven Lab - bemærkede først den overraskende dramatiske skævhed af neutronerne - og det faktum, at retningspræferencen var modsat den, der ses ved proton-proton-kollisioner. Bazilevsky arbejdede sammen med hende på dataanalyse og detektorsimuleringer for at bekræfte effekten og sikre, at det ikke var en artefakt fra detektoren eller noget med justeringen af ​​strålerne at gøre. Derefter, Nakagawa arbejdede tæt sammen med acceleratorfysikerne om en række eksperimenter for at gentage målingerne under endnu mere præcist kontrollerede forhold.

"Dette var i sandhed et samarbejde mellem eksperimentalister og acceleratorfysikere, der kunne tune sådan en enorm og kompliceret acceleratorfacilitet i farten for at opfylde vores eksperimentelle behov, " sagde Bazilevsky, udtrykker taknemmelighed for denne indsats og beundring for RHIC's alsidighed og fleksibilitet.

De nye målinger, som også omfattede resultater fra kollisioner af protoner med mellemstore aluminiumioner, viste, at effekten var reel, og at den ændrede sig med størrelsen af ​​kernen.

"Så vi har tre sæt data - kolliderende polariserede protoner med protoner, aluminium, og guld, " sagde Bazilevsky. "Asymmetrien øges gradvist fra negativ i proton-proton - med flere neutroner spredt til højre - til næsten nul asymmetri i proton-aluminium, til en stor positiv asymmetri i proton-guld kollisioner - med mange flere spredninger til venstre."

Partikelproduktionsmekanismer

For at forstå resultaterne, forskerne måtte se nærmere på de processer og kræfter, der påvirker spredningspartiklerne.

"I partikelverdenen, tingene er meget mere komplicerede end det simple tilfælde, hvor (snurrende) billardkugler kolliderer, " sagde Bazilevsky. "Der er en række forskellige processer involveret i partikelspredning, og disse processer i sig selv kan interagere eller interferere med hinanden."

"Den målte asymmetri er summen af ​​disse interaktioner eller interferenser af forskellige processer, " sagde Kim.

Nakagawa, der ledede den teoretiske fortolkning af de eksperimentelle data, uddybet de forskellige mekanismer.

Grundtanken er, at i tilfælde af store kerner såsom guld, som har en meget stor positiv elektrisk ladning, elektromagnetiske vekselvirkninger spiller en meget vigtigere rolle i partikelproduktionen, end de gør i det tilfælde, hvor to små, ligeligt ladede protoner støder sammen.

"I kollisioner mellem protoner og protoner, effekten af ​​elektrisk ladning er ubetydelig lille, " sagde Nakagawa. I så fald, asymmetrien er drevet af interaktioner styret af den stærke atomkraft – som teorien udviklede sig tilbage i 2011 korrekt beskrevet. Men som størrelsen, og derfor opkræve, af kernen stiger, den elektromagnetiske kraft spiller en større rolle og, på et bestemt tidspunkt, vender retningspræferencen for neutronproduktion.

Forskerne vil fortsætte med at analysere 2015-dataene på forskellige måder for at se, hvordan effekten afhænger af andre variabler, såsom partiklernes momentum i forskellige retninger. De vil også se på, hvordan præferencer for andre partikler end neutroner påvirkes, og arbejde med teoretikere for bedre at forstå deres resultater.

En anden idé ville være at udføre en ny række eksperimenter, der kolliderer polariserede protoner med andre former for kerner, der endnu ikke er målt.

"Hvis vi observerer præcis den asymmetri, vi forudsiger baseret på den elektromagnetiske interaktion, så bliver dette meget stærkt bevis for at understøtte vores hypotese, " sagde Nakagawa.

Ud over at give en unik måde at forstå forskellige partikelproduktionsmekanismer, dette nye resultat føjer til den forvirrende historie om, hvad der forårsager den tværgående spinasymmetri i første omgang - et åbent spørgsmål for fysikere siden 1970'erne. Disse og andre resultater fra RHICs polariserede protonkollisioner vil i sidste ende bidrage til at løse dette spørgsmål.