O quebra-cabeça do spin do próton:os cientistas querem saber como os diferentes constituintes do próton contribuem para o seu spin, uma propriedade fundamental que desempenha um papel em como esses blocos de construção dão origem a quase toda a matéria visível no universo. As peças do quebra-cabeça incluem o momento angular orbital de quarks e glúons (canto superior esquerdo), giro do glúon (canto superior direito) e giro do quark e antiquark (embaixo). Os últimos dados do RHIC revelam que a contribuição dos antiquarks é mais complexa do que se pensava. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Novos dados do experimento STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) adicionam detalhes - e complexidade - a um quebra-cabeça intrigante que os cientistas estão tentando resolver:como os blocos de construção que formam um próton contribuem para seu spin. Os resultados, acaba de ser publicado como uma comunicação rápida no jornal Revisão Física D , revelar definitivamente pela primeira vez que diferentes "sabores" de antiquarks contribuem de maneira diferente para o spin geral do próton - e de uma forma que é oposta à abundância relativa desses sabores.
"Esta medição mostra que a peça quark do quebra-cabeça do spin do próton é feita de várias peças, "disse James Drachenberg, um porta-voz adjunto da STAR da Abilene Christian University. "Não é um quebra-cabeça entediante; não está dividido uniformemente. Há uma imagem mais complicada e este resultado está nos dando um primeiro vislumbre de como é a imagem."
Não é a primeira vez que a visão dos cientistas sobre o spin do próton mudou. Houve uma "crise" de spin totalmente desenvolvida na década de 1980, quando um experimento no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) revelou que a soma dos spins de quark e antiquark dentro de um próton poderia ser responsável, no melhor, um quarto do giro geral. RHIC, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Departamento de Ciência dos EUA para pesquisa de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven, foi construído em parte para que os cientistas pudessem medir as contribuições de outros componentes, incluindo antiquarks e glúons (que se "colam", ou ligar, os quarks e antiquarks para formar partículas como prótons e nêutrons).
Antiquarks têm apenas uma existência passageira. Eles se formam como pares quark-antiquark quando os glúons se dividem.
"Chamamos esses pares de mar de quark, "Drachenberg disse." A qualquer momento, voce tem quarks, glúons, e um mar de pares quark-antiquark que contribuem de alguma forma para a descrição do próton. Entendemos o papel que esses quarks do mar desempenham em alguns aspectos, mas não em relação ao spin. "
Explorando sabores no mar
Uma consideração importante é se diferentes "sabores" de quarks do mar contribuem para girar de maneira diferente.
Este modelo do detector STAR mostra os principais componentes do detector usados neste resultado. Os elétrons dos decaimentos do bóson W (ou pósitrons dos decaimentos W +) são rastreados dentro de um campo magnético usando a Câmara de Projeção de Tempo (TPC). O campo magnético faz com que as partículas negativas e positivas se curvem de maneiras opostas, permitindo que os cientistas identifiquem qual é qual. O Calorímetro Eletromagnético de Barril (BEMC) mede a energia das partículas que emergem das colisões perpendiculares dos feixes de colisão, enquanto o Calorímetro Eletromagnético de Endcap (EEMC) faz o mesmo para partículas que emergem na direção para frente. Esta imagem mostra uma trilha de elétrons simulada (vermelho) apontando para uma grande deposição de energia localizada no BEMC (também vermelho). Crédito:T. Sakuma
Quarks vêm em seis sabores - as variedades para cima e para baixo que compõem os prótons e nêutrons da matéria visível comum, e quatro outras espécies mais exóticas. A divisão de glúons pode produzir pares de quark / antiquark, pares de quark / antiquark - e às vezes até pares de quark / antiquark mais exóticos.
"Não há razão para que um glúon prefira se dividir em um ou outro desses sabores, "disse Ernst Sichtermann, um colaborador STAR do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) do DOE que desempenhou um papel importante na pesquisa de quarks do mar. "Esperaríamos números iguais [de pares para cima e para baixo], mas não é isso que estamos vendo. ”Medições no CERN e no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE descobriram consistentemente mais antiquarks do que antiquarks.
"Por haver essa surpresa - uma assimetria na abundância desses dois sabores - pensamos que também poderia haver uma surpresa em seu papel no spin, "Drachenberg disse. De fato, resultados anteriores de RHIC indicaram que pode haver uma diferença em como os dois sabores contribuem para a rotação, encorajando a equipe STAR a fazer mais experimentos.
Cumprindo metas de rotação
Este resultado representa o acúmulo de dados do programa de spin RHIC de 20 anos. É o resultado final de um dos dois pilares iniciais que motivaram o programa de spin nos primórdios do RHIC.
Para todos esses experimentos, O STAR analisou os resultados das colisões de prótons polarizados no RHIC - colisões onde a direção geral do spin dos dois feixes de prótons do RHIC estava alinhada de maneiras específicas. A busca por diferenças no número de certas partículas produzidas quando a direção do spin de um feixe de próton polarizado é invertida pode ser usada para rastrear o alinhamento do spin de vários constituintes - e, portanto, suas contribuições para o spin geral do próton.
Para as medições de quark do mar, Os físicos do STAR contaram elétrons e pósitrons - versões de antimatéria de elétrons que são iguais em todos os sentidos, exceto que carregam uma carga elétrica positiva em vez de negativa. Os elétrons e pósitrons vêm do decaimento de partículas chamadas bósons W, que também vêm em variedades negativas e positivas, dependendo se eles contêm um antiquark up ou down. A diferença no número de elétrons produzidos quando a direção do spin do próton em colisão é invertida indica uma diferença na produção de W e serve como um substituto para medir o alinhamento do spin dos antiquarks para cima. De forma similar, a diferença em pósitrons vem de uma diferença na produção de W + e serve como substituto para medir a contribuição de spin de antiquarks para baixo.
Colisões de prótons polarizados (feixe entrando da esquerda) e prótons não polarizados (direita) resultam na produção de bósons W (neste caso, C-). Os detectores do RHIC identificam as partículas emitidas à medida que os bósons W decaem (neste caso, elétrons, e-) e os ângulos em que surgem. As setas coloridas representam diferentes direções possíveis, que sondam como diferentes sabores de quark - por exemplo, um antiquark "para cima" (u) e um quark "para baixo" (d) - contribuem para o spin do próton. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Novo detector, precisão adicionada
Os dados mais recentes incluem sinais capturados pelo calorímetro endcap da STAR, que pega partículas que viajam perto da linha de luz para frente e para trás de cada colisão. Com esses novos dados adicionados aos dados de partículas emergentes perpendiculares à zona de colisão, os cientistas reduziram a incerteza em seus resultados. Os dados mostram definitivamente, pela primeira vez, que os spins dos antiquarks para cima contribuem mais para o spin geral do próton do que os spins dos antiquarks para baixo.
"Esta 'assimetria de sabor, 'como os cientistas chamam, é surpreendente por si só, mas ainda mais considerando que existem mais antiquarks down do que up, "disse Qinghua Xu da Universidade de Shandong, outro cientista líder que supervisionou um dos alunos de pós-graduação cuja análise foi essencial para o artigo.
Como observou Sichtermann, "Se você voltar ao quebra-cabeça de rotação do próton original, onde aprendemos que a soma dos spins de quark e antiquark é responsável por apenas uma fração do spin do próton, as próximas questões são:qual é a contribuição do glúon? Qual é a contribuição do movimento orbital dos quarks e glúons? Mas também, por que a contribuição do quark é tão pequena? É por causa de um cancelamento entre as contribuições de spin de quark e antiquark? Ou é por causa das diferenças entre os diferentes sabores de quark?
"Os resultados anteriores do RHIC mostraram que os glúons desempenham um papel significativo no spin do próton. Esta nova análise dá uma indicação clara de que o mar também desempenha um papel significativo. É muito mais complicado do que apenas os glúons se dividindo em qualquer sabor que você goste - e um bom motivo para olhar mais fundo no mar. "
Bernd Surrow, um físico da Temple University que ajudou a desenvolver o método do bóson W e supervisionou dois dos alunos de pós-graduação cujas análises levaram à nova publicação, concorda. "Após vários anos de trabalho experimental no RHIC, este excitante novo resultado fornece uma compreensão substancialmente mais profunda das flutuações quânticas de quarks e glúons dentro do próton. Esses são os tipos de perguntas fundamentais que atraem mentes jovens - os alunos que continuarão a expandir os limites de nosso conhecimento. "
Medições adicionais de STAR podem oferecer informações sobre as contribuições de spin de pares exóticos de quark / antiquark. Além disso, Cientistas americanos esperam se aprofundar no mistério do spin em um futuro colisor elétron-íon proposto. Este acelerador de partículas usaria elétrons para sondar diretamente a estrutura de spin dos componentes internos de um próton - e deveria resolver o quebra-cabeça do spin do próton.
