Een groep onderzoekers, waaronder wetenschappers van het RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Universiteit van Tokio, Universiteit van Nagoya, en de Japan Atomic Energy Agency (JAEA) gebruikte de spin-gepolariseerde Relativistic Heavy Ion Collider in Brookhaven National Laboratory in de Verenigde Staten om aan te tonen dat, in gepolariseerde proton-proton botsingen, neutrale pionen die worden uitgezonden in het zeer voorwaartse gebied van botsingen - waar directe interacties met quarks en gluonen niet van toepassing zijn - hebben nog steeds een grote mate van links-rechts asymmetrie. Deze bevinding suggereert dat de eerdere consensus over het genereren van deeltjes bij dergelijke botsingen opnieuw moet worden geëvalueerd.

Het begrijpen van het mechanisme waardoor deeltjes worden gecreëerd bij botsingen waarbij protonen betrokken zijn, is relevant voor het begrijpen van kosmische stralingsregens, waar deeltjes die vanuit de ruimte de atmosfeer van de aarde binnenkomen, deeltjes "douches" creëren die ons helpen meer te weten te komen over astronomische verschijnselen die plaatsvinden in de extreme omgeving van het universum. Echter, het is erg moeilijk om te bestuderen hoe deeltjes ontstaan, aangezien de kracht die protonen in de kern bindt en die quarks en gluonen tot protonen bindt - de sterke interactie of kernkracht - erg sterk is in vergelijking met andere krachten zoals de elektromagnetische kracht en zwaartekracht. Een manier om deze belangrijke uitdagingen te onderzoeken, is een attribuut van protonen dat spin wordt genoemd, wat kan worden begrepen door analogie met de manier waarop een speelgoedblad om zijn as draait. De spin van protonen kan kunstmatig worden uitgelijnd, in een proces dat polarisatie wordt genoemd.

In de jaren zeventig, versnellerexperimenten in het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten onthulden dat de pionen die naar de voorkant van botsingen met gepolariseerde protonen werden gegenereerd, een grote links-rechts asymmetrie hadden. De energie van de gepolariseerde protonen die in deze experimenten werden gebruikt, was ongeveer 10 miljard elektronvolt (GeV). Experimenten bij hogere energieën, waaronder één bij 200 GeV met behulp van de gepolariseerde protonenbundel bij Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in de Verenigde Staten en bij RHIC in Brookhaven National Laboratory (BNL) in de Verenigde Staten, waar twee bundels van 100 GeV-protonen die in tegengestelde richtingen bewogen met elkaar in botsing kwamen - toonde aan dat de links-rechts asymmetrie aanhield, zelfs bij hoogenergetische gepolariseerde protonen. Er ontstond een consensus dat deze asymmetrie werd veroorzaakt door directe interacties tussen de quarks en gluonen in de protonen, gebaseerd op een theorie die perturbatieve kwantumchromodynamica (QCD) wordt genoemd.

Echter, met aanvullende experimenten aan het RHIC, bevindingen begonnen naar voren te komen die de consensus uitdaagden. Volgens Yuji Goto, een van de auteurs van het huidige werk, "Op de energie van RHIC, quarks en gluonen zijn verspreid, en verschillende deeltjes worden gegenereerd in de vorm van een straal. Toen de links-rechts asymmetrie van de jet die voor de botsingspositie bij RHIC werd gegenereerd, werd onderzocht, er is geconstateerd dat, tegen de verwachting in, de algehele jet en de pionen in de jet vertoonden geen links-rechts asymmetrie. Dit suggereerde dat de oorzaak van de links-rechts asymmetrie niet de directe verstrooiing van quarks en gluonen was."

Om verder te onderzoeken, deden de onderzoekers experimenten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , waar ze een elektromagnetische calorimeterdetector gebruikten die eerder werd gebruikt in de Large Hadron Collider bij CERN - bekend als het LHCf-experiment daar en het RHICf-experiment bij RHIC - om gedetailleerd te kijken naar de gammastralen die worden gegenereerd door pionverval in het zeer voorwaartse gebied van de botsing. Ze vonden, echter, dat de links-rechts asymmetrie in neutrale pionen zelfs in dat zeer smalle gebied aanhoudt.

Goto zegt, "We ontdekten dat de asymmetrie nog steeds bestaat onder een zeer kleine hoek van vlak voor de botsing, en neemt in feite toe naarmate de hoek van nul af beweegt. Dit resultaat vereist een heronderzoek van eerdere theoretische interpretaties. De kleine voorwaartse hoek van de asymmetrie komt overeen met het energiegebied waarin de protonen de aangeslagen toestand veroorzaken, en de bijdrage van andere mechanismen - diffractie en resonantie - kan een hint zijn naar het mysterie."

Volgens Minho Kim, een International Program Associate bij RIKEN en een afgestudeerde student aan de Korea University, wie was de eerste auteur van het experiment, "Het was geweldig om met de nieuwe detector te kunnen werken, en we zijn van plan ons werk voort te zetten om het mechanisme te begrijpen dat de links-rechts asymmetrie genereert. Dit zal ons zeker inzicht geven in kosmische stralingsregens en ons zo helpen om fenomenen te begrijpen die plaatsvinden in de extreme omgeving van het universum."