Um grupo de pesquisadores, incluindo cientistas do RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Universidade de Tóquio, Universidade de Nagoya, e a Agência de Energia Atômica do Japão (JAEA) usaram o colisor de íons pesados ​​relativísticos de spin polarizado no Laboratório Nacional de Brookhaven nos Estados Unidos para mostrar que, em colisões próton-próton polarizadas, Os píons neutros emitidos na área muito avançada das colisões - onde as interações diretas envolvendo quarks e glúons não são aplicáveis ​​- ainda têm um alto grau de assimetria esquerda-direita. Esse achado sugere que o consenso anterior a respeito da geração de partículas nessas colisões precisa ser reavaliado.

Compreender o mecanismo pelo qual as partículas são criadas em colisões envolvendo prótons tem relevância para a compreensão dos chuveiros de raios cósmicos, onde as partículas que entram na atmosfera terrestre vindas do espaço sideral criam "chuvas" de partículas que nos ajudam a aprender sobre os fenômenos astronômicos que ocorrem no ambiente extremo do universo. Contudo, é muito difícil estudar como as partículas são criadas, já que a força que une os prótons no núcleo e que une os quarks e os glúons aos prótons - a interação forte ou força nuclear - é muito forte em comparação com outras forças, como a força eletromagnética e a gravidade. Um caminho para explorar esses desafios importantes envolve um atributo de prótons chamado spin, o que pode ser entendido por analogia com a forma como a tampa de um brinquedo gira em seu eixo. O spin dos prótons pode ser alinhado artificialmente, em um processo denominado polarização.

Na década de 1970, experimentos com aceleradores no Laboratório Nacional de Argonne, nos Estados Unidos, revelaram que os píons gerados na frente das colisões envolvendo prótons polarizados tinham grande assimetria esquerda-direita. A energia dos prótons polarizados usados ​​nesses experimentos foi de cerca de 10 bilhões de elétron-volts (GeV). Experimentos em energias mais altas - incluindo um a 200 GeV usando o feixe de prótons polarizado no Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) nos Estados Unidos e no RHIC no Brookhaven National Laboratory (BNL) nos Estados Unidos, onde dois feixes de prótons de 100 GeV movendo-se em direções opostas colidiram - mostrou que a assimetria esquerda-direita persistia mesmo com prótons polarizados de alta energia. Um consenso emergiu de que essa assimetria foi causada por interações diretas entre os quarks e glúons nos prótons, baseado em uma teoria chamada cromodinâmica quântica perturbativa (QCD).

Contudo, com experimentos adicionais no RHIC, começaram a surgir descobertas que desafiavam o consenso. De acordo com Yuji Goto, um dos autores do trabalho atual, "Na energia do RHIC, quarks e glúons estão espalhados, e várias partículas são geradas na forma de um jato. Quando a assimetria esquerda-direita do jato gerado à frente da posição de colisão no RHIC foi examinada, foi descoberto que, contrário às expectativas, o jato geral e os píons contidos no jato não mostraram uma assimetria esquerda-direita. Isso sugere que a causa da assimetria esquerda-direita não foi o espalhamento direto de quarks e glúons. "

Para uma investigação mais aprofundada, os pesquisadores realizaram experimentos, publicado em Cartas de revisão física , onde eles usaram um detector de calorímetro eletromagnético usado anteriormente no Large Hadron Collider no CERN - conhecido como o experimento LHCf lá e o experimento RHICf no RHIC - para dar uma olhada detalhada nos raios gama gerados por decaimentos de píons na região muito avançada do colisão. Eles encontraram, Contudo, que a assimetria esquerda-direita em píons neutros persiste mesmo nessa área muito estreita.

Goto diz, "Descobrimos que a assimetria continua a existir em um ângulo muito estreito logo na frente da colisão, e de fato aumenta à medida que o ângulo se afasta de zero. Este resultado exige um reexame das interpretações teóricas anteriores. O pequeno ângulo à frente da assimetria corresponde à região de energia na qual os prótons causam o estado excitado, e a contribuição de outros mecanismos - difração e ressonância - pode fornecer uma pista para o mistério. "

De acordo com Minho Kim, um Programa Associado Internacional na RIKEN e estudante de graduação na Universidade da Coreia, quem foi o primeiro autor do experimento, "Foi ótimo poder trabalhar com o novo detector, e pretendemos continuar nosso trabalho para entender o mecanismo que gera a assimetria esquerda-direita. Isso certamente nos dará uma visão sobre as chuvas de raios cósmicos e, assim, nos ajudará a compreender os fenômenos que ocorrem no ambiente extremo do universo. "