El rompecabezas del espín del protón:los científicos quieren saber cómo los diferentes componentes del protón contribuyen a su espín, una propiedad fundamental que juega un papel en cómo estos bloques de construcción dan lugar a casi toda la materia visible en el universo. Las piezas del rompecabezas incluyen el momento angular orbital de quarks y gluones (arriba a la izquierda), gluon spin (arriba a la derecha) y quark y antiquark spin (abajo). Los últimos datos de RHIC revelan que la contribución de los antiquarks es más compleja de lo que se pensaba. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los nuevos datos del experimento STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC) agregan detalles y complejidad a un enigma intrigante que los científicos han estado tratando de resolver:cómo los bloques de construcción que componen un protón contribuyen a su giro. Los resultados, recién publicado como una comunicación rápida en la revista Revisión física D , revelan definitivamente por primera vez que los diferentes "sabores" de antiquarks contribuyen de manera diferente al giro general del protón, y de una manera opuesta a la abundancia relativa de esos sabores.
"Esta medida muestra que la pieza de quark del rompecabezas de espín de protones está formada por varias piezas, "dijo James Drachenberg, un portavoz adjunto de STAR de Abilene Christian University. "No es un rompecabezas aburrido; no está dividido de manera uniforme. Hay una imagen más complicada y este resultado nos está dando un primer vistazo de cómo se ve esa imagen".
No es la primera vez que la visión de los científicos sobre el giro de los protones ha cambiado. Hubo una "crisis" de espín en toda regla en la década de 1980 cuando un experimento en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) reveló que la suma de espines de quark y antiquark dentro de un protón podría explicar, a lo mejor, una cuarta parte del giro total. RHIC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, fue construido en parte para que los científicos pudieran medir las contribuciones de otros componentes, incluyendo antiquarks y gluones (que "pegan" juntos, o atar, los quarks y antiquarks para formar partículas como protones y neutrones).
Las antigüedades tienen solo una existencia fugaz. Se forman como pares quark-antiquark cuando los gluones se dividen.
"Llamamos a estos pares el mar de quarks, ", Dijo Drachenberg." En cualquier momento dado, tienes quarks, gluones, y un mar de pares quark-antiquark que contribuyen de alguna manera a la descripción del protón. Entendemos el papel que juegan estos quarks marinos en algunos aspectos, pero no con respecto al giro ".
Explorando el sabor en el mar
Una consideración clave es si los diferentes "sabores" de los quarks marinos contribuyen a girar de manera diferente.
Este modelo del detector STAR muestra los principales componentes del detector utilizados en este resultado. Los electrones de las desintegraciones del bosón W- (o los positrones de las desintegraciones W +) se rastrean dentro de un campo magnético utilizando la cámara de proyección de tiempo (TPC). El campo magnético hace que las partículas positivas y negativas se curven de manera opuesta, permitiendo a los científicos identificar cuál es cuál. El calorímetro electromagnético de barril (BEMC) mide la energía de las partículas que emergen de las colisiones perpendiculares de los haces que chocan, mientras que el calorímetro electromagnético de extremo terminal (EEMC) hace lo mismo con las partículas que emergen en la dirección de avance. Esta imagen muestra una pista de electrones simulada (rojo) que apunta a una gran deposición de energía localizada en el BEMC (también rojo). Crédito:T. Sakuma
Los quarks vienen en seis sabores:las variedades ascendentes y descendentes que componen los protones y neutrones de la materia visible ordinaria, y otras cuatro especies más exóticas. La división de gluones puede producir pares de quark / antiquark, pares de quark / antiquark abajo y, a veces, pares incluso más exóticos de quark / antiquark.
"No hay ninguna razón por la que un gluón prefiera dividirse en uno u otro de estos sabores, "dijo Ernst Sichtermann, un colaborador de STAR del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE que desempeñó un papel principal en la investigación de quarks marinos. "Esperaríamos el mismo número [de pares hacia arriba y hacia abajo], pero eso no es lo que estamos viendo ”. Las mediciones en el CERN y el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE han encontrado consistentemente más antiquarks abajo que antiquarks arriba.
"Debido a que existe esta sorpresa, una asimetría en la abundancia de estos dos sabores, pensamos que también podría haber una sorpresa en su papel en el giro, "Dijo Drachenberg. De hecho, Los resultados anteriores de RHIC indicaron que podría haber una diferencia en cómo los dos sabores contribuyen al giro, animando al equipo STAR a hacer más experimentos.
Cumplir con los objetivos de efectos
Este resultado representa la acumulación de datos del programa de centrifugado RHIC de 20 años. Es el resultado final de uno de los dos pilares iniciales que motivaron el programa de spinning en los albores del RHIC.
Para todos estos experimentos, STAR analizó los resultados de las colisiones de protones polarizados en RHIC, colisiones en las que la dirección de giro general de los dos haces de protones de RHIC estaba alineada de formas particulares. La búsqueda de diferencias en el número de ciertas partículas producidas cuando se invierte la dirección de giro de un haz de protones polarizado se puede utilizar para rastrear la alineación de espín de varios constituyentes y, por lo tanto, sus contribuciones al espín general del protón.
Para las medidas de los quarks marinos, Los físicos de STAR contaron electrones y positrones, versiones de antimateria de electrones que son iguales en todos los aspectos, excepto que llevan una carga eléctrica positiva en lugar de negativa. Los electrones y positrones provienen de la desintegración de partículas llamadas bosones W, que también vienen en variedades negativas y positivas, dependiendo de si contienen un antiquark up o down. La diferencia en el número de electrones producidos cuando se invierte la dirección de giro del protón en colisión indica una diferencia en la producción de W y sirve como un sustituto para medir la alineación de giro de los antiquarks ascendentes. Similar, la diferencia en positrones proviene de una diferencia en la producción de W + y sirve como sustituto para medir la contribución al giro de los antiquarks hacia abajo.
Las colisiones de protones polarizados (haz que entra por la izquierda) y protones no polarizados (derecha) dan como resultado la producción de bosones W (en este caso, W-). Los detectores de RHIC identifican las partículas emitidas a medida que decaen los bosones W (en este caso, electrones, e-) y los ángulos en los que emergen. Las flechas de colores representan diferentes direcciones posibles, que sondean los diferentes sabores de los quarks, por ejemplo, un antiquark "arriba" (u) y un quark "abajo" (d) - contribuyen al giro del protón. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Nuevo detector, precisión añadida
Los datos más recientes incluyen señales capturadas por el calorímetro de extremo de STAR, que recoge partículas que viajan cerca de la línea de luz hacia adelante y hacia atrás de cada colisión. Con estos nuevos datos agregados a los datos de partículas que emergen perpendicularmente a la zona de colisión, los científicos han reducido la incertidumbre en sus resultados. Los datos muestran definitivamente, por primera vez, que los giros de los antiquarks hacia arriba hacen una mayor contribución al giro general del protón que los giros de los antiquarks hacia abajo.
"Esta 'asimetría de sabor, 'como lo llaman los científicos, es sorprendente en sí mismo, pero aún más considerando que hay más antiquarks abajo que antiquarks arriba, "dijo Qinghua Xu de la Universidad de Shandong, otro científico principal que supervisó a uno de los estudiantes de posgrado cuyo análisis fue esencial para el artículo.
Como señaló Sichtermann, "Si vuelves al rompecabezas de giro de protones original, donde aprendimos que la suma de los espines quark y antiquark representa solo una fracción del espín del protón, las siguientes preguntas son ¿cuál es la contribución de gluones? ¿Cuál es la contribución del movimiento orbital de los quarks y gluones? Pero también, ¿Por qué la contribución de los quarks es tan pequeña? ¿Se debe a una cancelación entre las contribuciones de espín de quark y antiquark? ¿O se debe a las diferencias entre los diferentes sabores de quark?
"Los resultados anteriores de RHIC han demostrado que los gluones juegan un papel importante en el giro de los protones. Este nuevo análisis da una clara indicación de que el mar también juega un papel importante. Es mucho más complicado que simplemente los gluones dividiéndose en cualquier sabor que desee, y muy una buena razón para mirar más profundamente en el mar ".
Bernd Surrow, un físico de la Universidad de Temple que ayudó a desarrollar el método del bosón W y supervisó a dos de los estudiantes graduados cuyos análisis condujeron a la nueva publicación, está de acuerdo. "Después de varios años de trabajo experimental en RHIC, Este nuevo y emocionante resultado proporciona una comprensión sustancialmente más profunda de las fluctuaciones cuánticas de los quarks y gluones dentro del protón. Éstos son los tipos de preguntas fundamentales que atraen a las mentes jóvenes:los estudiantes que continuarán ampliando los límites de nuestro conocimiento ".
Las mediciones de STAR adicionales pueden ofrecer información sobre las contribuciones de espín de pares exóticos de quark / antiquark. Además, Los científicos estadounidenses esperan profundizar en el misterio del giro en un futuro Colisionador de iones de electrones propuesto. Este acelerador de partículas usaría electrones para sondear directamente la estructura de espín de los componentes internos de un protón y, en última instancia, resolvería el rompecabezas del espín del protón.
