Het berekenen van de spin van een proton was vroeger een gemakkelijke opdracht voor de universiteit. In feite, Carl Gagliardi herinnert zich dat hij die vraag beantwoordde toen hij in de jaren zeventig afstudeerde in de natuurkunde. Maar het echte antwoord bleek helemaal niet eenvoudig te zijn. Zelfs Gagliardi's "juiste" reactie werd een paar jaar later weerlegd door experimenten die het veld op zijn kop zetten.

Protonen zijn een van de drie deeltjes waaruit atomen bestaan, de bouwstenen van het universum. De spin van een proton is een van de meest elementaire eigenschappen. Omdat protonen voor een deel uit quarks bestaan, wetenschappers veronderstelden dat de protonspins slechts de som waren van de quarkspins.

Maar studies in de jaren tachtig toonden aan dat de werkelijkheid veel complexer is. Vanaf dat moment, Gagliardi en andere onderzoekers hebben het unieke DOE Office of Science User Facilities bij Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) en Brookhaven National Laboratory gebruikt om dit fundamentele fenomeen te onderzoeken.

Een natuurkracht onderzoeken

Protonen hebben altijd "spin". De richting en sterkte van de spin van een proton bepaalt zijn magnetische en elektrische eigenschappen. Veranderingen in de spin van het proton veranderen ook de structuur.

"Door te begrijpen hoe [de componenten van een proton] op elkaar spelen om spin te produceren, we kunnen leren hoe Moeder Natuur een proton bouwt, " zei Gagliardi, nu een onderzoeker aan het Cyclotron Institute in Texas A&M. Hij werkt mee aan het werk bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven National Laboratory op Long Island, New York.

Een beter begrip van de spin en structuur van protonen kan tot onverwachte voordelen leiden. Net zoals de ontdekkingen van James Clerk Maxwell over elektromagnetisme in de jaren 1860 de basis legden voor de hedendaagse elektronica, sommige wetenschappers denken dat het begrijpen van protonspin tot vergelijkbare vooruitgang kan leiden.

"[Maxwell's vergelijkingen] waren de heerschappij van de mensheid over een fundamentele natuurkracht, elektromagnetisme, " zei John Lajoie, een onderzoeker in de staat Iowa die aan RHIC werkt. "Wat we proberen te doen, is een fundamenteel begrip krijgen van de kracht die de quarks aan het proton bindt."

Onverwachte bevindingen

"Het bestuderen van spin in de natuurkunde heeft tot veel verrassingen geleid, " zei Elke-Caroline Aschenauer, die de onderzoeksgroep van Brookhaven leidt die zich richt op protonspin. Maar de natuur heeft haar geheimen niet zomaar prijsgegeven.

Onderzoekers dachten eerst dat elk proton volledig uit slechts drie quarks bestond, die samen de spin bepaalden. Quarks zijn elementaire deeltjes die wetenschappers niet in kleinere deeltjes hebben kunnen afbreken.

Maar hoe beter ze keken, hoe complexer het beeld werd. Het eerste experiment bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) suggereerde dat quarkspins bijna niets bijdroegen aan de protonspin. Vanaf dat moment, preciezere experimenten hebben de bijdrage van quarkspin verhoogd tot 25 tot 30 procent. Dat laat veel onverantwoord.

In plaats van teleurgesteld te zijn, veel natuurkundigen waren enthousiast.

"Ik leef omdat ik ongelijk heb, "zei Lajoie. "Daar leren we van."

Samen bonzende deeltjes

Om protonen en andere subatomaire deeltjes te onderzoeken, wetenschappers gebruiken versnellers om ze met snelheden in de buurt van de lichtsnelheid te laten botsen.

"Deeltjesfysici zijn niet echt veel verder geëvolueerd dan de dagen van de holbewoners in termen van het tegen elkaar slaan van twee rotsen, ’ grapte Lajoie.

De versnellers van Brookhaven en Jefferson Labs hebben het unieke vermogen om deeltjesstromen te polariseren. Dit betekent dat ze de spins van de deeltjes coördineren, zodat ze in dezelfde richting zijn uitgelijnd.

Bij de Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), een DOE Office of Science User Facility bij Jefferson Lab in Newport News, Virginia, de machine schiet een gepolariseerde bundel elektronen in een stationair doel. Het doelwit is ook gepolariseerd. Het botsen van de elektronenbundel met de protonen of neutronen in het doelwit geeft wetenschappers bijzonder goed inzicht in de bijdragen van quarks aan spin. Wanneer de straal het doel raakt, deeltjes verspreiden zich onder verschillende hoeken. Een elektronenspectrometer identificeert vervolgens welke soorten en hoeveel deeltjes het resultaat waren van het experiment.

RHIC in Brookhaven stuurt twee bundels protonen door een vier mijl lange tunnel. Als ze botsen, de deeltjes scheuren elkaar uit elkaar en hergroeperen zich onmiddellijk. Ze raken twee detectoren ter grootte van een huis die gegevens verzamelen over hun richting, momentum, en energie.

"Het is gewoon een geweldige prestatie van de mensheid, zei Ernst Sichtermann, een onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE en plaatsvervangend woordvoerder van een van de experimenten van RHIC.

Als de enige faciliteit die protonen kan polariseren en laten botsen, RHIC is nuttig om de bijdrage van gluonen te begrijpen. Gluonen zijn de deeltjes die quarks bij elkaar houden om protonen en neutronen te vormen.

Het vergelijken en contrasteren van resultaten is een essentieel onderdeel van protonspin-onderzoek. Beide laboratoria voeren experimenten uit die onderzoeken wat er gebeurt als je deeltjes botst die in dezelfde richting draaien versus deeltjes die in tegengestelde richtingen draaien. Om te bepalen hoe een specifiek deeltje, zoals een gluon of quark, draagt ​​bij aan spin, onderzoekers vergelijken het aantal en het type deeltjes dat het resultaat is van verschillende configuraties van de bundels en het doelwit.

Een van de grootste uitdagingen is het verzamelen en analyseren van de ongelooflijke hoeveelheid data. Veel van het werk is gericht op het verzamelen van de juiste gegevens en het minimaliseren van fouten of vooroordelen.

"Daar word je een echte natuurkundige, "zei Gagliardi. "Vijfennegentig procent van de tijd voor wetenschappelijke analyse wordt besteed aan het identificeren, het kwantificeren en beperken van die vooroordelen."

De bijdragen begrijpen

Met behulp van deze hulpmiddelen, natuurkundigen realiseerden zich dat de structuur van het proton helemaal niet eenvoudig is. Het is een oceaan van verschuivende quarks en gluonen. In aanvulling, gluonen splitsen zich snel in kortlevende paren quarks en anti-quarks (bekend als zee-quarks). Anti-quarks hebben vergelijkbare kenmerken als quarks, behalve de tegenovergestelde lading.

Een aantal experimenten hebben mogelijke bronnen van spin onderzocht.

Een experiment bij RHIC ontdekte dat de spins van anti-quarks vaak niet in dezelfde richting zijn uitgelijnd. Als resultaat, het is onwaarschijnlijk dat ze veel bijdragen aan de spin van het proton.

Een andere studie ging over de rol van gluonen. In 2014, wetenschappers vonden experimentele gegevens die aantoonden dat gluonen significant bijdragen aan protonspin. In feite, zij dragen er ongeveer 20 tot 30 procent van bij.

Een vervolgexperiment was gericht op "wimpy" gluonen met een laag momentum. Eerdere studies hadden de bijdrage van deze gluonen onderschat. Maar uit botsingen met veel hogere energieën bleek dat terwijl enkele "slappe" gluonen bijna niets bijdragen, het enorme aantal ervan resulteert in nogal wat invloed.

Er is één belangrijke bron die onderzoekers nog niet hebben onderzocht:baanimpulsmoment. Orbitaal impulsmoment komt van de beweging van de quarks en gluonen ten opzichte van elkaar. Hoewel theoretici simulaties hebben ontwikkeld die deze bijdrage modelleren, wetenschappers hebben niet de apparatuur om ze te testen.

Dat zal veranderen met de opening van een grote upgrade naar CEBAF. Door de energie van de versneller te verdubbelen en een betere resolutie te bieden, kunnen wetenschappers het baanimpulsmoment bestuderen. De laboratoriummedewerkers verwachten dat de verbeterde accelerator het komende jaar volledig draait.

"Er is geen andere straal zoals deze elders in de wereld, " zei Robert McKeown, adjunct-directeur onderzoek van Jefferson Lab.