Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een niet-invasieve manier ontwikkeld om de "spin tune" van gepolariseerde protonen te meten bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een belangrijke factor voor het behouden van de uitlijning van deze draaiende deeltjes.

De techniek is vergelijkbaar met de manier waarop magnetische resonantie beeldvorming (MRI) protonspin manipuleert om structuren in het lichaam te "zien". En zoals MRI, de techniek kan worden gebruikt als een "diagnostisch" hulpmiddel - in dit geval om de prestaties van de botser te verbeteren terwijl deze onderzoekt hoe de innerlijke bouwstenen van protonen bijdragen aan hun spin.

"Om te begrijpen hoe de bouwstenen van protonen - quarks en gluonen - bijdragen aan de spin, we botsen bundels van protonen waarvan de individuele spinrichtingen zijn "gepolariseerd, " betekent zoveel mogelijk op elkaar afgestemd, " zei Thomas Roser, hoofd van de Collider Accelerator-afdeling van Brookhaven Lab. Maar externe krachten en sommige methoden om afwijkingen te meten, kunnen de stralen "depolariseren".

De nieuwe techniek meet de grootte en frequentie van de precessie van de protonen - een cirkelvormige afwijking van de assen van deze draaiende deeltjes van hun perfect uitgelijnde pad - zonder de bundels te destabiliseren.

"We kunnen precessie niet-invasief meten terwijl de versneller werkt, "Zei Roser. "Dat geeft ons informatie die we kunnen gebruiken om aanpassingen te maken die de protonen op één lijn houden."

Wat maakt protonen wiebelen?

Met gepolariseerde bundels in RHIC - of een cirkelvormige versneller - komt de gemiddelde spinrichting van elke protonenbundel overeen met het magnetische veld van de versneller. Maar als een tol die begint te wiebelen, de as van een proton begint soms te draaien rond een cirkelvormig pad dat afwijkt van een perfecte uitlijning. Dat wiebelen staat bekend als precessie.

Als een externe bron, zoals kleine onvolkomenheden in het magnetische veld, synchroniseert met de frequentie van precessie, het kan de wiebeling van de protonen versterken en ervoor zorgen dat de straal gedepolariseerd wordt.

"Er zijn andere manieren geweest om de precessiefrequentie te meten, maar de tot nu toe gebruikte technieken veroorzaken effectief de depolarisatie die dergelijke metingen zouden willen vermijden, " zei Roser. "Onze nieuwe methode meet de frequentie van de precessie zonder de straal te depolariseren, zodat we correcties kunnen aanbrengen om de protonen uitgelijnd te houden - of zelfs hun draairichting omdraaien indien gewenst."

Roser legde uit hoe de nieuwe techniek werkt, vergelijkbaar met de manier waarop MRI-scans werken:een krachtig magnetisch veld brengt alle spins van de protonen op één lijn, dan passen wetenschappers een extern elektromagnetisch veld met variabele frequentie toe, zoeken naar de frequentie waarmee de assen van de protonen beginnen weg te kantelen van stabiel.

"Het is als het afstemmen van een ouderwetse radioknop om naar een zender te zoeken, "Zei Roser. "De sleutel is om dicht bij de kantelfrequentie te komen zonder de destabilisatie teweeg te brengen."

Bij MRI's, de signalen die door de precessie van protonen worden gegenereerd, geven informatie over de innerlijke structuren van het lichaam. Bij RHIC geven ze informatie over het afstellen van de magneten van de versneller om de bundelpolarisatie te behouden.

De nieuwe techniek zal leiden tot een stabielere en geoptimaliseerde werking bij RHIC voor kernfysisch onderzoek - en zou ook kunnen worden gebruikt bij een geplande gepolariseerde Electron-Ion Collider in de Verenigde Staten.