Esta imagen muestra cómo el eje de la peonza de un juguete se desvía en una trayectoria circular de su alineación recta hacia arriba y hacia abajo cuando la peonza gira alrededor de ese eje. Conociendo la tasa de esta desviación, llamado precesión, para los protones giratorios que viajan alrededor de un acelerador de partículas como RHIC, ayuda a los físicos a mantener las partículas alineadas para los experimentos que exploran las fuentes del giro de los protones. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado una forma no invasiva de medir la "sintonía de giro" de los protones polarizados en el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC), un factor importante para mantener la alineación de estas partículas giratorias.
La técnica es similar a la forma en que la resonancia magnética (MRI) manipula el giro de los protones para "ver" estructuras dentro del cuerpo. Y como la resonancia magnética, la técnica se puede utilizar como una herramienta de "diagnóstico", en este caso para mejorar el rendimiento del colisionador, ya que explora cómo los bloques de construcción internos de los protones contribuyen a su giro.
"Para comprender cómo los componentes básicos de los protones (quarks y gluones) contribuyen al espín, colisionamos haces de protones cuyas direcciones de giro individuales están "polarizadas, "es decir, alineado tanto como sea posible, "dijo Thomas Roser, jefe del Departamento de Aceleradores de Colisionadores de Brookhaven Lab. Pero las fuerzas externas y algunos métodos para medir las desviaciones pueden "despolarizar" las vigas.
La nueva técnica mide la magnitud y frecuencia de la precesión de los protones, una desviación circular de los ejes de estas partículas giratorias de su trayectoria perfectamente alineada, sin desestabilizar los haces.
"Podemos medir la precesión de forma no invasiva a medida que opera el acelerador, "Eso nos da información que podemos usar para hacer ajustes que mantengan alineados los protones", dijo Roser.
La alineación de espín de un protón oscila alrededor de la dirección de espín estable (flecha negra sólida) entre los dos límites (flechas rojas discontinuas) durante muchos giros de órbita. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
¿Qué hace que los protones se tambaleen?
Con rayos polarizados en RHIC, o cualquier acelerador circular, la dirección de giro promedio de cada grupo de protones se alinea con el campo magnético del acelerador. Pero como una peonza que comienza a tambalearse El eje de un protón a veces comienza a girar alrededor de una trayectoria circular que se desvía de la alineación perfecta. Ese bamboleo se conoce como precesión.
Si alguna fuente externa, como pequeñas imperfecciones en el campo magnético, se sincroniza con la frecuencia de la precesión, puede amplificar la oscilación de los protones y hacer que el haz se despolarice.
"Ha habido otras formas de medir la frecuencia de precesión, pero las técnicas utilizadas hasta la fecha causan efectivamente la despolarización que tales mediciones buscarían evitar, ", Dijo Roser." Nuestro nuevo método mide la frecuencia de la precesión sin despolarizar el haz, por lo que podemos hacer correcciones para mantener los protones alineados, o incluso cambiar su dirección de giro cuando se desee ".
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). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Roser explicó cómo la nueva técnica funciona de manera similar a la forma en que funcionan las imágenes por resonancia magnética:Primero, un poderoso campo magnético alinea todos los espines de los protones, luego los científicos aplican un campo electromagnético externo de frecuencia variable, buscando la frecuencia a la que los ejes de los protones comienzan a inclinarse lejos del estable.
"Es como sintonizar un mando de radio antiguo para buscar una emisora, ", Dijo Roser." La clave es acercarse a la frecuencia de inflexión sin desencadenar la desestabilización ".
En resonancias magnéticas, las señales generadas por la precesión de los protones dan información sobre las estructuras internas del cuerpo. En RHIC dan información sobre cómo ajustar los imanes del acelerador para mantener la polarización del haz.
La nueva técnica conducirá a una operación más estable y optimizada en RHIC para la investigación de la física nuclear, y también podría usarse en un colisionador de electrones-iones polarizado planeado que se ubicará en los Estados Unidos.
