Nieuwe gegevens van het STAR-experiment bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) voegen detail - en complexiteit - toe aan een intrigerende puzzel die wetenschappers hebben geprobeerd op te lossen:hoe de bouwstenen waaruit een proton bestaat, bijdragen aan zijn spin. De resultaten, zojuist gepubliceerd als een snelle mededeling in het tijdschrift Fysieke beoordeling D , onthullen voor het eerst definitief dat verschillende "smaken" van antiquarks anders bijdragen aan de algehele spin van het proton - en op een manier die tegengesteld is aan de relatieve overvloed van die smaken.

"Deze meting laat zien dat het quarkstuk van de protonspinpuzzel uit meerdere stukken bestaat, " zei James Drachenberg, een plaatsvervangend woordvoerder van STAR van Abilene Christian University. "Het is geen saaie puzzel; het is niet gelijk verdeeld. Er is een meer gecompliceerde foto en dit resultaat geeft ons een eerste glimp van hoe die foto eruit ziet."

Het is niet de eerste keer dat de kijk van wetenschappers op protonspin is veranderd. Er was een volledige spin-"crisis" in de jaren tachtig toen een experiment in het European Centre for Nuclear Research (CERN) onthulde dat de som van quark- en antiquark-spins in een proton verantwoordelijk zou kunnen zijn voor, op zijn best, een kwart van de totale spin. RHIC, een U.S. Department of Energy Office of Science gebruikersfaciliteit voor kernfysisch onderzoek in Brookhaven National Laboratory, werd gedeeltelijk gebouwd zodat wetenschappers de bijdragen van andere componenten konden meten, inclusief antiquarks en gluonen (die aan elkaar "lijmen", of binden, de quarks en antiquarks om deeltjes zoals protonen en neutronen te vormen).

Antiquarks hebben slechts een vluchtig bestaan. Ze vormen als quark-antiquark-paren wanneer gluonen splitsen.

"We noemen deze paren de quarkzee, "Zei Drachenberg. "Op elk willekeurig moment, je hebt quarks, gluonen, en een zee van quark-antiquark-paren die op de een of andere manier bijdragen aan de beschrijving van het proton. We begrijpen de rol die deze zee-quarks in sommige opzichten spelen, maar niet met betrekking tot spin."

Smaak in de zee ontdekken

Een belangrijke overweging is of verschillende "smaken" van zeequarks bijdragen aan een andere spin.

Quarks zijn er in zes smaken:de op- en neergaande varianten waaruit de protonen en neutronen van gewone zichtbare materie bestaan, en vier andere meer exotische soorten. Het splitsen van gluonen kan quark/antiquark-paren produceren, down-quark/antiquark-paren - en soms zelfs meer exotische quark/antiquark-paren.

"Er is geen reden waarom een ​​gluon zich liever zou splitsen in een van deze smaken, zei Ernst Sichtermann, een STAR-medewerker van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) van DOE die een leidende rol speelde in het onderzoek naar zeequark. "We zouden gelijke aantallen [van op en neer paren] verwachten, maar dat is niet wat we zien." Metingen bij CERN en DOE's Fermi National Accelerator Laboratory hebben consequent meer down-antiquarks gevonden dan up-antiquarks.

"Omdat er een verrassing is - een asymmetrie in de overvloed van deze twee smaken - dachten we dat er misschien ook een verrassing zou zijn in hun rol in spin, " zei Drachenberg. Inderdaad, eerdere resultaten van RHIC gaven aan dat er een verschil kan zijn in hoe de twee smaken bijdragen aan spin, het STAR-team aanmoedigen om meer experimenten te doen.

Draaidoelen behalen

Dit resultaat vertegenwoordigt de accumulatie van gegevens van het 20-jarige RHIC-spinprogramma. Het is het eindresultaat van een van de twee eerste pijlers die het spinprogramma aan het begin van RHIC motiveerden.

Voor al deze experimenten STAR analyseerde de resultaten van botsingen met gepolariseerde protonen bij RHIC - botsingen waarbij de algemene spinrichting van de twee protonenbundels van RHIC op bepaalde manieren was uitgelijnd. Het zoeken naar verschillen in het aantal bepaalde deeltjes dat wordt geproduceerd wanneer de spinrichting van een gepolariseerde protonenbundel wordt omgedraaid, kan worden gebruikt om de spin-uitlijning van verschillende bestanddelen te volgen - en dus hun bijdragen aan de algehele protonspin.

Voor de metingen van zeekwark, STAR-natuurkundigen telden elektronen en positronen - antimaterieversies van elektronen die in alle opzichten hetzelfde zijn, behalve dat ze een positieve in plaats van een negatieve elektrische lading dragen. De elektronen en positronen zijn afkomstig van het verval van deeltjes die W-bosonen worden genoemd, die ook in negatieve en positieve varianten voorkomen, afhankelijk van of ze een up of down antiquark bevatten. Het verschil in het aantal geproduceerde elektronen wanneer de spinrichting van het botsende proton wordt omgedraaid, duidt op een verschil in W-productie en dient als een standaard voor het meten van de spin-uitlijning van de opwaartse antiquarks. evenzo, het verschil in positronen komt van een verschil in W+-productie en dient de stand-in rol voor het meten van de spinbijdrage van down-antiquarks.

Nieuwe detector, toegevoegde precisie

De nieuwste gegevens omvatten signalen die zijn vastgelegd door de endcap-calorimeter van STAR, die deeltjes oppikt die bij elke botsing dicht bij de bundellijn naar voren en naar achteren reizen. Met deze nieuwe gegevens toegevoegd aan gegevens van deeltjes die loodrecht op de botsingszone verschijnen, hebben de wetenschappers de onzekerheid in hun resultaten verkleind. De gegevens tonen definitief, Voor de eerste keer, dat de spins van up-antiquarks een grotere bijdrage leveren aan de totale protonspin dan de spins van down-antiquarks.

"Deze 'smaakasymmetrie, ' zoals wetenschappers het noemen, is op zich verrassend, maar des te meer gezien het feit dat er meer down-antiquarks zijn dan up-antiquarks, " zei Qinghua Xu van de Shandong University, een andere hoofdwetenschapper die toezicht hield op een van de afgestudeerde studenten wiens analyse essentieel was voor het artikel.

Zoals Sichtermann opmerkte, "Als je teruggaat naar de originele protonspinpuzzel, waar we leerden dat de som van de quark- en antiquark-spins slechts een fractie van de protonspin uitmaakt, de volgende vragen zijn:wat is de gluon-bijdrage? Wat is de bijdrage van de orbitale beweging van de quarks en gluonen? Maar ook, waarom is de quarkbijdrage zo klein? Is het vanwege een annulering tussen quark- en antiquark-spinbijdragen? Of komt het door verschillen tussen verschillende kwarksmaken?

"Eerdere RHIC-resultaten hebben aangetoond dat gluonen een belangrijke rol spelen bij de spin van protonen. Deze nieuwe analyse geeft een duidelijke indicatie dat de zee ook een belangrijke rol speelt. Het is veel gecompliceerder dan alleen gluonen die zich opsplitsen in elke gewenste smaak - en goede reden om dieper de zee in te kijken."

Bernd Surrow, een natuurkundige van Temple University die hielp bij het ontwikkelen van de W-bosonmethode en toezicht hield op twee van de afgestudeerde studenten wiens analyses leidden tot de nieuwe publicatie, gaat akkoord. "Na meerdere jaren experimenteel werk bij RHIC, dit opwindende nieuwe resultaat biedt een aanzienlijk dieper begrip van de kwantumfluctuaties van quarks en gluonen in het proton. Dit zijn het soort fundamentele vragen die jonge geesten aantrekken - de studenten die de grenzen van onze kennis zullen blijven verleggen."

Aanvullende STAR-metingen kunnen inzicht bieden in de spinbijdragen van exotische quark/antiquark-paren. In aanvulling, Amerikaanse wetenschappers hopen dieper in te gaan op het spin-mysterie bij een voorgestelde toekomstige Electron-Ion Collider. Deze deeltjesversneller zou elektronen gebruiken om de spinstructuur van de interne componenten van een proton direct te onderzoeken - en zou uiteindelijk de proton-spinpuzzel moeten oplossen.