Imagina jugar una partida de billar Dar un poco de giro en sentido contrario a las agujas del reloj en la bola blanca y verla desviarse hacia la derecha cuando golpea su bola objetivo. Con suerte, o habilidad, la bola objetivo se hunde en la tronera de la esquina mientras que la bola blanca desviada hacia la derecha falla por poco un scratch de la tronera lateral. Ahora imagina tu bola blanca que gira en sentido antihorario golpeando una bola de boliche en su lugar, y desviarse incluso con más fuerza, pero a la izquierda —Cuando golpea la masa más grande.

Eso es similar a la impactante situación en la que se encontraron los científicos al analizar los resultados de los protones giratorios que golpean núcleos atómicos de diferentes tamaños en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC), un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear en el DOE. Laboratorio Nacional Brookhaven. Los neutrones producidos cuando un protón en rotación choca con otro protón salen con una ligera preferencia hacia la derecha. Pero cuando el protón en rotación choca con un núcleo de oro mucho más grande, La preferencia direccional de los neutrones aumenta y cambia a la izquierda.

"Lo que observamos fue totalmente asombroso, "dijo el físico de Brookhaven Alexander Bazilevsky, un portavoz adjunto para la colaboración PHENIX en RHIC, que informa estos resultados en un nuevo artículo recién publicado en Cartas de revisión física . "Nuestros hallazgos pueden significar que los mecanismos que producen partículas a lo largo de la dirección en la que viaja el protón giratorio pueden ser muy diferentes en las colisiones protón-protón en comparación con las colisiones protón-núcleo".

Comprender los diferentes mecanismos de producción de partículas podría tener grandes implicaciones para interpretar otras colisiones de partículas de alta energía, incluidas las interacciones de los rayos cósmicos de energía ultra alta con partículas en la atmósfera de la Tierra, Dijo Bazilevsky.

Detectar las preferencias direccionales de las partículas

Los físicos de espín observaron por primera vez la tendencia de más neutrones a emerger ligeramente hacia la derecha en las interacciones protón-protón en 2001-2002. durante los primeros experimentos de protones polarizados de RHIC. RHIC, que ha estado en funcionamiento desde 2000, es el único colisionador del mundo con la capacidad de controlar con precisión la polarización, o dirección de giro, de protones en colisión, así que este era un territorio nuevo en ese momento. Los físicos teóricos tardaron algún tiempo en explicar el resultado. Pero la teoría que desarrollaron, publicado en 2011, no dio a los científicos ninguna razón para esperar una preferencia direccional tan fuerte cuando los protones chocaban con núcleos más grandes, y mucho menos un giro completo en la dirección de esa preferencia.

"Anticipamos algo similar al efecto protón-protón, porque no pudimos pensar en ninguna razón por la que la asimetría podría ser diferente, "dijo Itaru Nakagawa, un físico del laboratorio RIKEN de Japón, quien se desempeñó como coordinador adjunto de carreras de PHENIX para las mediciones de efectos en 2015. "¿Te imaginas por qué una bola de boliche esparciría una bola blanca en la dirección opuesta en comparación con una bola de billar objetivo?"

2015 fue el año en que RHIC colisionó por primera vez protones polarizados con núcleos de oro a alta energía, las primeras colisiones de este tipo en cualquier parte del mundo. Minjung Kim, estudiante de posgrado en la Universidad Nacional de Seúl y el Centro de Investigación RIKEN-BNL en Brookhaven Lab, notó por primera vez la desviación sorprendentemente dramática de los neutrones y el hecho de que la preferencia direccional era opuesta a la observada en las colisiones protón-protón. Bazilevsky trabajó con ella en análisis de datos y simulaciones de detectores para confirmar el efecto y asegurarse de que no fuera un artefacto del detector o algo relacionado con el ajuste de los haces. Luego, Nakagawa trabajó en estrecha colaboración con los físicos del acelerador en una serie de experimentos para repetir las mediciones en condiciones controladas aún más precisamente.

"Este fue realmente un esfuerzo de colaboración entre experimentadores y físicos de aceleradores que pudieron sintonizar una instalación de acelerador tan enorme y complicada sobre la marcha para satisfacer nuestras necesidades experimentales". "Bazilevsky dijo, expresando gratitud por esos esfuerzos y admiración por la versatilidad y flexibilidad de RHIC.

Las nuevas medidas, que también incluyó resultados de colisiones de protones con iones de aluminio de tamaño intermedio, mostró que el efecto era real y que cambiaba con el tamaño del núcleo.

"Así que tenemos tres conjuntos de datos:colisión de protones polarizados con protones, aluminio, y oro, ", Dijo Bazilevsky." La asimetría aumenta gradualmente de negativo en protón-protón, con más neutrones dispersándose hacia la derecha, a casi cero asimetría en protón-aluminio, a una gran asimetría positiva en las colisiones protón-oro, con muchas más dispersiones a la izquierda ".

Mecanismos de producción de partículas

Para comprender los hallazgos, los científicos tuvieron que observar más de cerca los procesos y fuerzas que afectan a las partículas dispersas.

"En el mundo de las partículas, las cosas son mucho más complicadas que el simple caso de bolas de billar (giratorias) que chocan, ", Dijo Bazilevsky." Hay varios procesos diferentes involucrados en la dispersión de partículas, y estos procesos en sí mismos pueden interactuar o interferir entre sí ".

"La asimetría medida es la suma de estas interacciones o interferencias de diferentes procesos, "dijo Kim.

Nakagawa, quien dirigió la interpretación teórica de los datos experimentales, elaborado sobre los diferentes mecanismos.

La idea básica es que, en el caso de núcleos grandes como el oro, que tienen una carga eléctrica positiva muy grande, Las interacciones electromagnéticas juegan un papel mucho más importante en la producción de partículas que en el caso en el que dos pequeños, protones igualmente cargados chocan.

"En las colisiones de protones con protones, el efecto de la carga eléctrica es insignificante, "Dijo Nakagawa. En ese caso, la asimetría es impulsada por interacciones gobernadas por la fuerza nuclear fuerte, como la teoría desarrollada en 2011 describió correctamente. Pero como el tamaño, y por lo tanto cargan, del núcleo aumenta, la fuerza electromagnética adquiere un papel más importante y, en un cierto punto, cambia la preferencia direccional por la producción de neutrones.

Los científicos continuarán analizando los datos de 2015 de diferentes formas para ver cómo el efecto depende de otras variables, como el impulso de las partículas en varias direcciones. También observarán cómo se ven afectadas las preferencias de partículas distintas de los neutrones, y trabajar con los teóricos para comprender mejor sus resultados.

Otra idea sería ejecutar una nueva serie de experimentos colisionando protones polarizados con otros tipos de núcleos aún no medidos.

"Si observamos exactamente la asimetría que predecimos en función de la interacción electromagnética, entonces esto se convierte en evidencia muy fuerte para apoyar nuestra hipótesis, "Dijo Nakagawa.

Además de proporcionar una forma única de comprender los diferentes mecanismos de producción de partículas, este nuevo resultado se suma a la desconcertante historia de las causas de la asimetría de espín transversal en primer lugar, una pregunta abierta para los físicos desde la década de 1970. Estos y otros resultados de las colisiones de protones polarizados de RHIC contribuirán eventualmente a resolver esta cuestión.