Imagine jogar uma partida de bilhar, girar um pouco no sentido anti-horário na bola branca e observá-la desviar para a direita ao atingir a bola-alvo. Com sorte, ou habilidade, a bola alvo afunda na caçapa do canto, enquanto a bola branca desviada para a direita erra por pouco uma caçapa lateral. Agora imagine sua bola branca girando no sentido anti-horário e acertando uma bola de boliche, e desviando ainda mais fortemente - mas para o deixou - quando atinge a massa maior.

Isso é semelhante à situação chocante em que os cientistas se encontraram quando analisaram os resultados de prótons girando atingindo núcleos atômicos de tamanhos diferentes no Colisor de Íons Pesados ​​Relativísticos (RHIC) - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Instalação de Usuário do Escritório de Ciências para pesquisa de física nuclear no DOE Laboratório Nacional de Brookhaven. Os nêutrons produzidos quando um próton giratório colide com outro próton saem com uma leve preferência para a direita. Mas quando o próton giratório colide com um núcleo de ouro muito maior, a preferência direcional dos nêutrons torna-se maior e muda para a esquerda.

"O que observamos foi totalmente incrível, "disse o físico de Brookhaven Alexander Bazilevsky, um porta-voz adjunto da colaboração PHENIX no RHIC, que está relatando esses resultados em um novo artigo recém-publicado em Cartas de revisão física . "Nossas descobertas podem significar que os mecanismos que produzem partículas ao longo da direção em que o próton em rotação está viajando podem ser muito diferentes nas colisões próton-próton em comparação com as colisões próton-núcleo."

Compreender os diferentes mecanismos de produção de partículas pode ter grandes implicações para a interpretação de outras colisões de partículas de alta energia, incluindo as interações de raios cósmicos de ultra-alta energia com partículas na atmosfera da Terra, Bazilevsky disse.

Detectando preferências direcionais de partículas

Os físicos do spin observaram pela primeira vez a tendência de mais nêutrons emergir ligeiramente para a direita nas interações próton-próton em 2001-2002, durante os primeiros experimentos de prótons polarizados do RHIC. RHIC, que está em operação desde 2000, é o único colisor no mundo com a capacidade de controlar com precisão a polarização, ou direção de rotação, de prótons colidindo, então este era um novo território na época. Demorou algum tempo para os físicos teóricos explicarem o resultado. Mas a teoria que desenvolveram, publicado em 2011, não deu aos cientistas nenhuma razão para esperar uma preferência direcional tão forte quando os prótons estavam colidindo com núcleos maiores, muito menos uma virada completa na direção dessa preferência.

"Antecipamos algo semelhante ao efeito próton-próton, porque não conseguimos pensar em nenhuma razão pela qual a assimetria poderia ser diferente, "disse Itaru Nakagawa, um físico do laboratório RIKEN do Japão, que atuou como vice-coordenador de corrida da PHENIX para medições de spin em 2015. "Você pode imaginar por que uma bola de boliche espalharia uma bola branca na direção oposta em comparação com uma bola de bilhar alvo?"

2015 foi o ano em que o RHIC colidiu pela primeira vez prótons polarizados com núcleos de ouro em alta energia, a primeira dessas colisões em qualquer parte do mundo. Minjung Kim - um estudante graduado da Universidade Nacional de Seul e do Centro de Pesquisa RIKEN-BNL no Laboratório de Brookhaven - notou pela primeira vez a inclinação surpreendentemente dramática dos nêutrons - e o fato de que a preferência direcional era oposta à observada em colisões próton-próton. Bazilevsky trabalhou com ela na análise de dados e simulações do detector para confirmar o efeito e ter certeza de que não era um artefato do detector ou algo a ver com o ajuste dos feixes. Então, Nakagawa trabalhou em estreita colaboração com os físicos do acelerador em uma série de experimentos para repetir as medições sob condições ainda mais precisamente controladas.

"Este foi realmente um esforço colaborativo entre experimentalistas e físicos de aceleradores que poderiam ajustar uma instalação de acelerador tão grande e complicada em tempo real para atender às nossas necessidades experimentais, "Bazilevsky disse, expressando gratidão por esses esforços e admiração pela versatilidade e flexibilidade do RHIC.

As novas medidas, que também incluiu resultados de colisões de prótons com íons de alumínio de tamanho intermediário, mostrou que o efeito era real e que mudava com o tamanho do núcleo.

"Portanto, temos três conjuntos de dados - colidindo prótons polarizados com prótons, alumínio, e ouro, "Bazilevsky disse." A assimetria aumenta gradualmente de negativo no próton-próton - com mais nêutrons se espalhando para a direita - para quase zero assimetria no próton-alumínio, a uma grande assimetria positiva em colisões próton-ouro - com muito mais dispersões à esquerda. "

Mecanismos de produção de partículas

Para entender as descobertas, os cientistas tiveram que olhar mais de perto os processos e forças que afetam as partículas dispersas.

"No mundo das partículas, as coisas são muito mais complicadas do que o simples caso de bolas de bilhar (girando) colidindo, "Bazilevsky disse." Há uma série de processos diferentes envolvidos no espalhamento de partículas, e esses próprios processos podem interagir ou interferir uns com os outros. "

“A assimetria medida é a soma dessas interações ou interferências de diferentes processos, "disse Kim.

Nakagawa, que conduziu a interpretação teórica dos dados experimentais, elaborado sobre os diferentes mecanismos.

A ideia básica é que, no caso de grandes núcleos como ouro, que têm uma carga elétrica positiva muito grande, as interações eletromagnéticas desempenham um papel muito mais importante na produção de partículas do que no caso de duas pequenas, prótons igualmente carregados colidem.

"Nas colisões de prótons com prótons, o efeito da carga elétrica é insignificante, "Nakagawa disse. Nesse caso, a assimetria é impulsionada por interações governadas pela força nuclear forte - como a teoria desenvolvida em 2011 descreveu corretamente. Mas como o tamanho, e, portanto, cobrar, do núcleo aumenta, a força eletromagnética assume um papel mais amplo e, em um determinado ponto, inverte a preferência direcional para a produção de nêutrons.

Os cientistas continuarão a analisar os dados de 2015 de maneiras diferentes para ver como o efeito depende de outras variáveis, como o momento das partículas em várias direções. Eles também vão ver como as preferências de partículas diferentes de nêutrons são afetadas, e trabalhar com teóricos para entender melhor seus resultados.

Outra ideia seria realizar uma nova série de experimentos colidindo prótons polarizados com outros tipos de núcleos ainda não medidos.

"Se observarmos exatamente a assimetria que prevemos com base na interação eletromagnética, então isso se torna uma evidência muito forte para apoiar nossa hipótese, "Nakagawa disse.

Além de fornecer uma maneira única de entender os diferentes mecanismos de produção de partículas, este novo resultado contribui para a história intrigante do que causa a assimetria de spin transversal em primeiro lugar - uma questão em aberto para os físicos desde os anos 1970. Esses e outros resultados das colisões de prótons polarizados do RHIC eventualmente contribuirão para resolver essa questão.