Sea quark -overraskelse afslører en dybere kompleksitet i proton -spin -puslespil

Nye data fra STAR -eksperimentet ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) tilføjer detaljer - og kompleksitet - til et spændende puslespil, som forskere har søgt at løse:hvordan byggestenene, der udgør en proton, bidrager til dets spin. Resultaterne, netop udgivet som en hurtig kommunikation i tidsskriftet Fysisk gennemgang D , afslører definitivt for første gang, at forskellige "varianter" af antikviteter bidrager forskelligt til protonets samlede spin - og på en måde, der er modsat disse smags relative overflod.

"Denne måling viser, at kvarkstykket i proton -spin -puslespillet er lavet af flere brikker, "sagde James Drachenberg, en stedfortræder for STAR fra Abilene Christian University. "Det er ikke et kedeligt puslespil; det er ikke jævnt opdelt. Der er et mere kompliceret billede, og dette resultat giver os det første glimt af, hvordan det billede ser ud."

Det er ikke første gang, at forskernes syn på protonspin har ændret sig. Der var en fuldstændig roterende "krise" i 1980'erne, da et eksperiment ved European Center for Nuclear Research (CERN) afslørede, at summen af ​​kvark- og antiquark-spins i en proton kunne tegne sig for, i bedste fald, en fjerdedel af det samlede spin. RHIC, et amerikansk Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til atomfysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory, blev bygget delvist, så forskere kunne måle bidragene fra andre komponenter, herunder antikviteter og gluoner (som "limes" sammen, eller binde, kvarkerne og antikvarterne til dannelse af partikler såsom protoner og neutroner).

Antikviteter har kun en flygtig eksistens. De dannes som kvark-antiquark-par, når gluoner deler sig.

"Vi kalder disse par for kvarkhavet, "Sagde Drachenberg." På ethvert givet tidspunkt, du har kvarker, gluoner, og et hav af kvark-antikvarpar, der på en eller anden måde bidrager til beskrivelsen af ​​protonen. Vi forstår den rolle, disse havkvarker spiller i nogle henseender, men ikke med hensyn til spin. "

Udforsk smag i havet

En central overvejelse er, om forskellige "varianter" af havkvarker bidrager til at spinde forskelligt.

Kvarker findes i seks varianter - op og ned sorter, der udgør protoner og neutroner af almindeligt synligt stof, og fire andre mere eksotiske arter. Splittende gluoner kan producere kvark/antikvar par, nedkvark/antikvarpar - og nogle gange endnu mere eksotiske kvark/antikvarpar.

"Der er ingen grund til, at en gluon foretrækker at dele sig i den ene eller den anden af ​​disse smag, "sagde Ernst Sichtermann, en STAR -samarbejdspartner fra DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), der spillede en hovedrolle i havkvarkforskningen. "Vi forventer lige mange [op og ned par], men det er ikke det, vi ser. "Målinger ved CERN og DOE's Fermi National Accelerator Laboratory har konsekvent fundet mere ned af antikviteter end op af antikviteter.

"Fordi der er denne overraskelse - en asymmetri i overflod af disse to varianter - tænkte vi, at der også kunne være en overraskelse i deres rolle i spin, "Sagde Drachenberg. Faktisk, tidligere resultater fra RHIC indikerede, at der kan være en forskel i, hvordan de to smag bidrager til spin, opfordre STAR -teamet til at lave flere eksperimenter.

Leverer på spin -mål

Dette resultat repræsenterer akkumulering af data fra det 20-årige RHIC spin-program. Det er det endelige resultat fra en af ​​de to indledende søjler, der motiverede spin -programmet ved RHIC's begyndelse.

For alle disse eksperimenter, STAR analyserede resultaterne af polariserede protonkollisioner ved RHIC - kollisioner, hvor den samlede spin -retning af RHICs to stråler af protoner blev justeret på særlige måder. På udkig efter forskelle i antallet af bestemte partikler, der produceres, når centrifugeringsretningen for en polariseret protonstråle vendes, kan man bruge til at spore centrifugering af forskellige bestanddele - og derfor deres bidrag til det samlede protonspin.

Til målinger af havkvark, STAR -fysikere tællede elektroner og positroner - antimaterieversioner af elektroner, der er ens på alle måder, bortset fra at de bærer en positiv snarere end en negativ elektrisk ladning. Elektronerne og positronerne stammer fra forfaldet af partikler kaldet W bosoner, som også findes i negative og positive sorter, afhængigt af om de indeholder en op eller ned antiquark. Forskellen i antallet af elektroner, der produceres, når den kolliderende protons spinretning vendes, indikerer en forskel i W-produktion og fungerer som et stand-in til måling af spin-justeringen af ​​de opadgående antikviteter. Tilsvarende forskellen i positroner kommer fra en forskel i W+ -produktion og tjener stand-in-rollen til måling af spin-bidrag fra dunantikvarer.

Ny detektor, tilføjet præcision

De nyeste data omfatter signaler, der er fanget af STAR's endekappekalorimeter, som opfanger partikler, der bevæger sig tæt på strålelinjen frem og tilbage fra hver kollision. Med disse nye data tilføjet til data fra partikler, der kommer vinkelret på kollisionszonen, har forskerne indsnævret usikkerheden i deres resultater. Dataene viser endegyldigt, for første gang, at centrifugeringen af ​​op antikviteter yder et større bidrag til det samlede protonspin end spinnene på dunantikvarer.

"Denne smagsasymmetri, 'som forskere kalder det, er overraskende i sig selv, men endnu mere i betragtning af at der er flere dunantikviteter end op -antikviteter, "sagde Qinghua Xu fra Shandong University, en anden hovedforsker, der overvågede en af ​​kandidatstuderende, hvis analyse var afgørende for papiret.

Som Sichtermann bemærkede, "Hvis du går tilbage til det originale proton -spin -puslespil, hvor vi lærte, at summen af ​​kvark- og antiquark -spins udgør kun en brøkdel af protonspin, de næste spørgsmål er, hvad er gluonbidraget? Hvad er bidraget fra kvarkernes og gluonernes orbitale bevægelse? Men også, hvorfor er kvarkbidraget så lille? Er det på grund af en annullering mellem quark- og antiquark -spin -bidrag? Eller er det på grund af forskelle mellem forskellige kvarksmag?

"Tidligere RHIC -resultater har vist, at gluoner spiller en væsentlig rolle i protonspin. Denne nye analyse giver en klar indikation af, at havet også spiller en væsentlig rolle. Det er langt mere kompliceret end bare gluoner, der deler sig i enhver smag, du kan lide - og en meget god grund til at kigge dybere i havet. "

Bernd Surrow, en fysiker fra Temple University, der hjalp med at udvikle W boson -metoden og vejledte to af kandidatstuderende, hvis analyser førte til den nye publikation, er enig. "Efter flere års eksperimentelt arbejde på RHIC, dette spændende nye resultat giver en væsentlig dybere forståelse af kvantesvingninger af kvarker og gluoner inde i protonen. Det er den slags grundlæggende spørgsmål, der tiltrækker unge sind - de studerende, der vil fortsætte med at udvide grænserne for vores viden. "

Yderligere STAR -målinger kan give indsigt i spin -bidragene fra eksotiske kvark/antikvarpar. Ud over, Amerikanske forskere håber at dykke dybere ned i spin-mysteriet ved en foreslået fremtidig Electron-Ion Collider. Denne partikelaccelerator ville bruge elektroner til direkte at undersøge spinstrukturen af ​​de interne komponenter i en proton - og skulle i sidste ende løse proton -spin -puslespillet.