Un grupo de investigadores que incluye científicos del Centro RIKEN Nishina para la ciencia basada en aceleradores, Universidad de Tokio, Universidad de Nagoya, y la Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA) utilizaron el colisionador de iones pesados ​​relativista de espín polarizado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los Estados Unidos para demostrar que, en colisiones polarizadas protón-protón, Los piones neutrales emitidos en el área de colisiones muy delantera, donde las interacciones directas que involucran quarks y gluones no son aplicables, todavía tienen un alto grado de asimetría izquierda-derecha. Este hallazgo sugiere que el consenso anterior con respecto a la generación de partículas en tales colisiones necesita ser reevaluado.

Comprender el mecanismo a través del cual se crean las partículas en las colisiones que involucran protones tiene relevancia para comprender las lluvias de rayos cósmicos, donde las partículas que ingresan a la atmósfera terrestre desde el espacio exterior crean "lluvias" de partículas que nos ayudan a aprender sobre los fenómenos astronómicos que tienen lugar en el entorno extremo del universo. Sin embargo, es muy difícil estudiar cómo se crean las partículas, ya que la fuerza que une a los protones en el núcleo y que une a los quarks y gluones en protones (la interacción fuerte o fuerza nuclear) es muy fuerte en comparación con otras fuerzas como la fuerza electromagnética y la gravedad. Una vía para explorar estos importantes desafíos ha involucrado un atributo de los protones llamado espín, que puede entenderse por analogía con la forma en que una peonza de juguete gira sobre su eje. El giro de los protones se puede alinear artificialmente, en un proceso que se llama polarización.

En los 1970s, Los experimentos con aceleradores en el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos revelaron que los piones generados hacia el frente de las colisiones que involucran protones polarizados tenían una gran asimetría izquierda-derecha. La energía de los protones polarizados utilizados en estos experimentos fue de aproximadamente 10 mil millones de electronvoltios (GeV). Experimentos a energías más altas, incluido uno a 200 GeV utilizando el haz de protones polarizados en Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) en los Estados Unidos y en RHIC en Brookhaven National Laboratory (BNL) en los Estados Unidos, donde colisionaron dos haces de protones de 100 GeV que se movían en direcciones opuestas, mostró que la asimetría izquierda-derecha persistía incluso con protones polarizados de alta energía. Surgió un consenso de que esta asimetría fue causada por interacciones directas entre los quarks y gluones en los protones, basado en una teoría llamada cromodinámica cuántica perturbativa (QCD).

Sin embargo, con experimentos adicionales en el RHIC, comenzaron a surgir hallazgos que desafiaron el consenso. Según Yuji Goto, uno de los autores del trabajo actual, "Con la energía de RHIC, los quarks y gluones están dispersos, y se generan varias partículas en forma de chorro. Cuando se examinó la asimetría izquierda-derecha del chorro generado adelante de la posición de colisión en RHIC, se encontró que, Contrario a las expectativas, el chorro general y los piones contenidos en el chorro no mostraron una asimetría de izquierda a derecha. Esto sugirió que la causa de la asimetría izquierda-derecha no fue la dispersión directa de quarks y gluones ".

Para seguir investigando, los investigadores realizaron experimentos, publicado en Cartas de revisión física , donde utilizaron un detector de calorímetro electromagnético utilizado anteriormente en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, conocido como el experimento LHCf allí y el experimento RHICf en RHIC, para observar en detalle los rayos gamma generados por las desintegraciones de piones en la región más avanzada del colisión. Ellos encontraron, sin embargo, que la asimetría izquierda-derecha en piones neutrales persiste incluso en esa zona muy estrecha.

Goto dice, "Descubrimos que la asimetría continúa existiendo en un ángulo muy estrecho desde el frente de la colisión, y de hecho aumenta a medida que el ángulo se aleja de cero. Este resultado requiere un reexamen de las interpretaciones teóricas previas. El pequeño ángulo hacia adelante de la asimetría corresponde a la región de energía en la que los protones causan el estado excitado, y la contribución de otros mecanismos —difracción y resonancia— puede dar una pista del misterio ".

Según Minho Kim, un asociado de programa internacional en RIKEN y estudiante de posgrado en la Universidad de Corea, quien fue el primer autor del experimento, "Fue fantástico poder trabajar con el nuevo detector, y planeamos continuar nuestro trabajo para comprender el mecanismo que genera la asimetría izquierda-derecha. Esto seguramente nos dará una idea de las lluvias de rayos cósmicos y, por lo tanto, nos ayudará a comprender los fenómenos que tienen lugar en el entorno extremo del universo ".