Stel je voor dat je een spelletje biljart speelt, een beetje tegen de klok in draaien op de speelbal en kijken hoe deze naar rechts afbuigt terwijl deze zijn doelbal raakt. Met geluk, of vaardigheid, de doelbal zakt in de hoekpocket terwijl de naar rechts afgebogen speelbal nipt een zijpocket-kras mist. Stel je nu voor dat je tegen de klok in draaiende speelbal in plaats daarvan een bowlingbal raakt, en nog sterker afbuigen - maar naar de links -wanneer het de grotere massa raakt.

Dat is vergelijkbaar met de schokkende situatie waarin wetenschappers zich bevonden bij het analyseren van de resultaten van draaiende protonen die atoomkernen van verschillende grootte raken in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voor kernfysisch onderzoek bij DOE's Brookhaven Nationaal Laboratorium. Neutronen die worden geproduceerd wanneer een ronddraaiend proton botst met een ander proton, komen naar buiten met een lichte voorkeur voor rechts-scheve. Maar wanneer het draaiende proton botst met een veel grotere goudkern, de richtingsvoorkeur van de neutronen wordt groter en schakelt naar links.

"Wat we zagen was helemaal geweldig, " zei Brookhaven-natuurkundige Alexander Bazilevsky, een plaatsvervangend woordvoerder van de PHENIX-samenwerking bij RHIC, die deze resultaten rapporteert in een nieuw artikel dat zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . "Onze bevindingen kunnen betekenen dat de mechanismen die deeltjes produceren in de richting waarin het draaiende proton zich voortbeweegt, heel anders kunnen zijn bij proton-protonbotsingen in vergelijking met proton-kernbotsingen."

Het begrijpen van verschillende productiemechanismen van deeltjes kan grote implicaties hebben voor het interpreteren van andere hoogenergetische deeltjesbotsingen, inclusief de interacties van ultrahoge-energetische kosmische straling met deeltjes in de atmosfeer van de aarde, zei Bazilevsky.

De richtingsvoorkeuren van deeltjes detecteren

Spinfysici observeerden voor het eerst de neiging van meer neutronen om iets naar rechts te verschijnen in proton-proton-interacties in 2001-2002, tijdens RHIC's eerste gepolariseerde protonexperimenten. RHIC, die sinds 2000 actief is, is de enige botser ter wereld met het vermogen om de polarisatie nauwkeurig te controleren, of draairichting, van botsende protonen, dus dit was toen nieuw terrein. Het kostte theoretische fysici enige tijd om het resultaat te verklaren. Maar de theorie die ze ontwikkelden, gepubliceerd in 2011, gaf wetenschappers geen reden om zo'n sterke richtingsvoorkeur te verwachten wanneer protonen in botsing kwamen met grotere kernen, laat staan ​​een volledige omslag in de richting van die voorkeur.

"We verwachtten iets dat lijkt op het proton-proton-effect, omdat we geen redenen konden bedenken waarom de asymmetrie anders zou kunnen zijn, " zei Itaru Nakagawa, een natuurkundige van het Japanse RIKEN-laboratorium, die in 2015 als adjunct-runcoördinator van PHENIX voor spinmetingen diende. "Kun je je voorstellen waarom een ​​bowlingbal een speelbal in de tegenovergestelde richting zou verspreiden in vergelijking met een doelbiljartbal?"

2015 was het jaar waarin RHIC voor het eerst in botsing kwam met gepolariseerde protonen met gouden kernen met hoge energie, de eerste dergelijke botsingen waar ook ter wereld. Minjung Kim - een afgestudeerde student aan de Seoul National University en het RIKEN-BNL Research Center in Brookhaven Lab - merkte voor het eerst de verrassend dramatische scheeftrekking van de neutronen op - en het feit dat de richtingsvoorkeur tegengesteld was aan die bij proton-protonbotsingen. Bazilevsky werkte met haar aan data-analyse en detectorsimulaties om het effect te bevestigen en ervoor te zorgen dat het geen artefact van de detector was of iets dat met de afstelling van de bundels te maken had. Vervolgens, Nakagawa werkte nauw samen met de natuurkundigen van de versneller aan een reeks experimenten om de metingen onder nog nauwkeuriger gecontroleerde omstandigheden te herhalen.

"Dit was echt een samenwerking tussen experimentatoren en versnellerfysici die zo'n enorme en gecompliceerde versnellerfaciliteit in een oogwenk konden afstemmen om aan onze experimentele behoeften te voldoen, "Bazilevsky zei:dankbaarheid uitspreken voor die inspanningen en bewondering voor de veelzijdigheid en flexibiliteit van RHIC.

De nieuwe metingen, die ook resultaten van botsingen van protonen met middelgrote aluminiumionen omvatte, toonde aan dat het effect echt was en dat het veranderde met de grootte van de kern.

"Dus we hebben drie sets gegevens - botsende gepolariseerde protonen met protonen, aluminium, en goud, Bazilevsky zei. "De asymmetrie neemt geleidelijk toe van negatief in proton-proton - met meer neutronen die naar rechts verstrooien - tot bijna nul asymmetrie in proton-aluminium, tot een grote positieve asymmetrie in proton-goudbotsingen - met veel meer verstrooiingen naar links."

Mechanismen voor de productie van deeltjes

Om de bevindingen te begrijpen, de wetenschappers moesten nauwkeuriger kijken naar de processen en krachten die de verstrooiende deeltjes beïnvloeden.

"In de deeltjeswereld, dingen zijn veel ingewikkelder dan het simpele geval van botsende (spinnende) biljartballen, " Bazilevsky zei. "Er zijn een aantal verschillende processen betrokken bij deeltjesverstrooiing, en deze processen zelf kunnen interageren of interfereren met elkaar."

"De gemeten asymmetrie is de som van deze interacties of interferenties van verschillende processen, " zei Kim.

Nakagawa, die de theoretische interpretatie van de experimentele gegevens leidde, uitgebreid in op de verschillende mechanismen.

Het basisidee is dat, in het geval van grote kernen zoals goud, die een zeer grote positieve elektrische lading hebben, elektromagnetische interacties spelen een veel belangrijkere rol bij de productie van deeltjes dan wanneer twee kleine, even geladen protonen botsen.

"In de botsingen van protonen met protonen, het effect van elektrische lading is verwaarloosbaar klein, " zei Nakagawa. In dat geval, de asymmetrie wordt aangedreven door interacties die worden beheerst door de sterke kernkracht - zoals de theorie die zich in 2011 ontwikkelde, correct werd beschreven. Maar als de grootte, en dus opladen, van de kern neemt toe, de elektromagnetische kracht neemt een grotere rol aan en, op een bepaald moment, draait de directionele voorkeur voor neutronenproductie om.

De wetenschappers zullen de gegevens van 2015 op verschillende manieren blijven analyseren om te zien hoe het effect afhangt van andere variabelen, zoals het momentum van de deeltjes in verschillende richtingen. Ze zullen ook kijken naar hoe de voorkeuren van andere deeltjes dan neutronen worden beïnvloed, en werk samen met theoretici om hun resultaten beter te begrijpen.

Een ander idee zou zijn om een ​​nieuwe reeks experimenten uit te voeren waarbij gepolariseerde protonen in botsing komen met andere soorten kernen die nog niet zijn gemeten.

"Als we precies de asymmetrie waarnemen die we voorspellen op basis van de elektromagnetische interactie, dan wordt dit zeer sterk bewijs om onze hypothese te ondersteunen, ' zei Nakagawa.

Naast het bieden van een unieke manier om verschillende mechanismen voor de productie van deeltjes te begrijpen, dit nieuwe resultaat draagt ​​bij aan het raadselachtige verhaal van wat de transversale spinasymmetrie in de eerste plaats veroorzaakt - een open vraag voor natuurkundigen sinds de jaren zeventig. Deze en andere resultaten van RHIC's gepolariseerde protonbotsingen zullen uiteindelijk bijdragen aan het oplossen van deze vraag.