Forskere, der studerer atomspin, gør en overraskende opdagelse

I proton-proton smashups, flere neutroner spredes til højre end til venstre i forhold til protonspindretningen. Det var den accepterede visdom, og forskere troede, at mønsteret ville holde, selv når protonerne ramte større kerner. Omhyggelig ny forskning viser, at det ikke er tilfældet. Forskere analyserede kollisioner af roterende protoner med atomkerner af forskellig størrelse ved PHENIX-detektoren ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). De fandt ud af, at forøgelse af størrelsen af ​​kernen "mål" fik neutroner spredt fra disse kollisioner til at skifte deres retningsbestemte "præference" fra højre mod venstre. Resultaterne tyder på, at mekanismerne, der producerer de spredte neutroner, varierer afhængigt af målets størrelse.

At forstå, hvordan partikler produceres i nukleare kollisioner, kan have store konsekvenser for fortolkning af andre partikulære kollisioner med høj energi. Oplysninger fra disse kollisioner giver indsigt i arten af ​​og kræfter, der styrer materie, som bygger verden omkring os, fra bittesmå levende celler til gigantiske stjerner. Yderligere, dette nye resultat tilføjer den forvirrende historie om, hvad der i første omgang forårsager ændringen i spredningsretningen. Disse og andre resultater fra RHICs polariserede protonkollisioner vil i sidste ende bidrage til at besvare dette spørgsmål.

Da RHIC-fysikere første gang kolliderede spin-justerede protoner med meget større guldkerner i 2015, de forventede at se neutroner dukke op langs protonprojektilets vej skævt lidt til højre, som de havde i tidligere proton-proton-kollisioner. Men i stedet, de observerede en meget større retningsbestemt præference til venstre i stedet for til højre. De foretog en omhyggelig gennemgang af deres analyse og udførte detektorsimuleringer for at være sikre på, at de ikke bare så en detektorartefakt eller en effekt af måden, de kolliderende bjælker var justeret på. Derefter arbejdede de med RHICs acceleratorfysikere for at gentage forsøget under endnu mere præcist kontrollerede forhold og inkluderede målinger med aluminiumskerner af mellemstørrelse. Disse fund afslørede, at neutronernes retningsbestemte præference var reel og mod højre ved proton-protonkollisioner, næsten nul (hvilket betyder ingen præference) i proton-aluminium-kollisionerne, og meget stærk og venstreorienteret i proton-guld smashups.

For at forstå resultaterne, forskerne måtte se nærmere på de processer og kræfter, der påvirker de spredende partikler. Deres analyser tyder på, at den meget store positive elektriske ladning på guldkernen, med 79 positivt ladede protoner, resulterer i stærke elektromagnetiske interaktioner, der spiller en meget vigtigere rolle i partikelproduktion, end de gør i tilfælde, når to små, lige ladede protoner støder sammen. I disse proton-proton-kollisioner, den modsatte retningsbestemte præference drives, i stedet, ved interaktioner mellem partiklernes indre kvarker og gluoner, styret af den stærke atomkraft. Forskerne vil fortsætte med at analysere deres data fra 2015 -eksperimenterne 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 af andre partikler end neutroner påvirkes, og arbejde med teoretikere for bedre at forstå deres resultater og oprindelsen af ​​tværgående spin-asymmetrier i proton-proton og proton-kernekollisioner.