Ny forskning uddyber mysteriet om partikeldannelse i protonkollisioner

En gruppe forskere, herunder videnskabsmænd fra RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Tokyo Universitet, Nagoya Universitet, og Japan Atomic Energy Agency (JAEA) brugte den spin-polariserede Relativistic Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory i USA til at vise, at i polariserede proton-proton kollisioner, neutrale pioner, der udsendes i det meget forreste område af kollisioner - hvor direkte interaktioner, der involverer kvarker og gluoner, ikke er anvendelige - har stadig en stor grad af venstre-højre asymmetri. Dette fund tyder på, at den tidligere konsensus vedrørende dannelsen af ​​partikler i sådanne kollisioner skal revurderes.

At forstå den mekanisme, hvorigennem partikler skabes ved kollisioner, der involverer protoner, har relevans for forståelsen af ​​kosmiske strålebyger, hvor partikler, der kommer ind i jordens atmosfære fra det ydre rum, skaber partikel-"byger", der hjælper os med at lære om astronomiske fænomener, der finder sted i universets ekstreme miljø. Imidlertid, det er meget svært at studere, hvordan partikler skabes, da den kraft, der binder protoner i kernen, og som binder kvarker og gluoner til protoner - den stærke vekselvirkning eller kernekraft - er meget stærk sammenlignet med andre kræfter såsom den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften. En vej til at udforske disse vigtige udfordringer har involveret en egenskab af protoner kaldet spin, hvilket kan forstås analogt med den måde en legetøjstop roterer om sin akse. Protonernes spin kan justeres kunstigt, i en proces, der kaldes polarisering.

I 1970'erne, acceleratoreksperimenter ved Argonne National Laboratory i USA afslørede, at de pioner, der blev genereret mod fronten af ​​kollisioner, der involverede polariserede protoner, havde stor venstre-højre asymmetri. Energien af ​​de polariserede protoner, der blev brugt i disse eksperimenter, var omkring 10 milliarder elektronvolt (GeV). Eksperimenter med højere energier - inklusive et ved 200 GeV ved hjælp af den polariserede protonstråle ved Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) i USA og på RHIC ved Brookhaven National Laboratory (BNL) i USA, hvor to stråler af 100 GeV-protoner, der bevægede sig i modsatte retninger, blev kollideret - viste, at venstre-højre-asymmetrien fortsatte selv med højenergi-polariserede protoner. Der opstod en konsensus om, at denne asymmetri var forårsaget af direkte interaktioner mellem kvarkerne og gluonerne i protonerne, baseret på en teori kaldet perturbative quantum chromodynamik (QCD).

Imidlertid, med yderligere eksperimenter på RHIC, resultater begyndte at dukke op, der udfordrede konsensus. Ifølge Yuji Goto, en af ​​forfatterne til det aktuelle værk, "Ved RHIC's energi, kvarker og gluoner er spredt, og forskellige partikler genereres i form af en stråle. Da venstre-højre-asymmetrien af ​​strålen genereret foran kollisionspositionen ved RHIC blev undersøgt, man fandt ud af, at mod forventning, den overordnede jet og pionerne indeholdt i jetflyet viste ikke en venstre-højre asymmetri. Dette antydede, at årsagen til venstre-højre asymmetri ikke var den direkte spredning af kvarker og gluoner."

For at undersøge nærmere, forskerne udførte eksperimenter, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , hvor de brugte en elektromagnetisk kalorimeterdetektor, der tidligere blev brugt i Large Hadron Collider ved CERN – kendt som LHCf-eksperimentet dér og RHICf-eksperimentet på RHIC – for at tage et detaljeret kig på gammastrålerne genereret af pionhenfald i det meget forreste område af kollision. De fandt, imidlertid, at venstre-højre-asymmetrien i neutrale pioner varer ved selv i det meget smalle område.

Goto siger, "Vi fandt ud af, at asymmetrien fortsætter med at eksistere i en meget snæver vinkel fra lige foran kollisionen, og faktisk øges, når vinklen bevæger sig væk fra nul. Dette resultat nødvendiggør en genundersøgelse af tidligere teoretiske fortolkninger. Den lille fremadgående vinkel af asymmetrien svarer til det energiområde, hvori protonerne forårsager den exciterede tilstand, og bidraget fra andre mekanismer - diffraktion og resonans - kan give et hint til mysteriet."

Ifølge Minho Kim, en International Program Associate ved RIKEN og kandidatstuderende ved Korea University, hvem var den første forfatter til eksperimentet, "Det var fantastisk at kunne arbejde med den nye detektor, og vi planlægger at fortsætte vores arbejde med at forstå den mekanisme, der genererer venstre-højre asymmetri. Dette vil helt sikkert give os indsigt i kosmiske strålebyger og dermed hjælpe os til at forstå fænomener, der finder sted i universets ekstreme miljø."