El protón suena como un objeto simple, pero no lo es. En el interior, hay un microcosmos repleto de quarks y gluones con propiedades como el giro y la carga de "color" que contribuyen al papel aparentemente simplista de la partícula como un bloque de construcción de materia visible.Al analizar los restos de partículas emitidos por colisiones de protones polarizados en el Relativistic Heavy Ion Collider RHIC, los científicos dicen que han encontrado una nueva forma de vislumbrar ese microcosmos interno. Han medido un efecto clave de la llamada interacción de color- la base de la fuerza nuclear fuerte que une a los quarks dentro del protón. Esta nueva medición prueba, por primera vez, conceptos teóricos que son esenciales para mapear la estructura interna tridimensional del protón.
La investigación, descrita en un artículo que se publicará como Sugerencia del editor en Cartas de revisión física , solo es posible en RHIC, un colisionador de partículas circulares de 2.4 millas que funciona como una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. Para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. RHIC es único en el sentido de que utilizaimanes para alinear estratégicamente los giros de miles de millones de pequeños protones para que apunten principalmente en una dirección particular a medida que circulan y colisionan.
Esta polarización ajustable es esencial para descifrar los detalles de la estructura interna de las partículas, incluida la forma en que sus quarks constituyentes y las partículas de unión similares al pegamento llamadas gluones contribuyen al giro general de los protones y cómo interactúan estas partículas.
"En este experimento, la polarización brinda a los científicos una forma única de comprender los detalles difíciles de captar sobre cómo las cargas de 'color' de los quarks y los gluones afectan sus interacciones microcósmicas", explicó el físico de Brookhaven Elke Aschenauer, miembro del científico.colaboración usando el detector STAR de RHIC para analizar los smashups subatómicos.
Colores vistos y no vistos
Si alguna vez has visto las coloridas imágenes de pistas de partículas que emergen de colisiones en STAR, te preguntarás de qué se trata todo el alboroto sobre el "color". STAR ha estado produciendo estas pantallas tipo fuegos artificiales desde que RHIC comenzó a operar en junio de 2000Los colores de esas pistas ayudan a identificar los tipos de partículas que emergen de las colisiones RHIC. Pero el "color" de los quarks que componen los iones que colisionan es un concepto bastante diferente. Es un tipo de carga que toma prestada una convención de nomenclatura de nuestra comprensión.de luz visible porque viene en tres formas que deben combinarse para formar un estado neutral, similar a la forma en que los tres colores primarios de luz rojo, verde y azul se combinan para formar una luz blanca "neutral".
Como es el caso con cargas eléctricas positivas y negativas más familiares, en carga de color, los opuestos se atraen y las cargas similares se repelen.
"Para obtener neutral blanco necesita los tres colores. Por lo tanto, lo opuesto de cada carga de color individual son los otros dos combinados", dijo Aschenauer.
La necesidad de combinar tres quarks de diferentes colores es la propiedad definitoria de la fuerza nuclear fuerte, lo que hace que sea imposible que los quarks sean libres y, en última instancia, une protones y neutrones para formar los átomos de la materia visible. Mientras que varios experimentos tienentrató de medir los efectos de la atractivo interacción que une cargas de color "diferentes", los científicos ahora, por primera vez, han medido un efecto de la repulsivo interacción de color cuando las cargas de color "similares" se encuentran en colisiones de partículas en RHIC.
Misma asimetría, signo opuesto
Probar los efectos de las interacciones de carga de color en las colisiones de partículas en STAR no es tarea fácil. Como explicó el colaborador de STAR Salvatore Fazio, los físicos de RHIC lo hacen midiendo el número, la trayectoria y el nivel de energía de las partículas llamadas bosones W que emergen de los RHICcolisiones de protones polarizados. Pero el W se desintegra en un instante: un electrón, que es bastante fácil de captar, y un neutrino, una partícula notoriamente evasiva que escapa rápidamente. Para obtener una lectura de la energía del neutrino, los científicos deben detectartodas las partículas que retroceden en la dirección opuesta al neutrino que se escapa, luego agregue todo eso junto con la energía del electrón para obtener la información que necesitan sobre cada W.
Esta reconstrucción de una partícula a partir de un chorro de escombros similar a un chorro requiere un detector grande con una gran aceptación: la capacidad de rastrear una amplia variedad de partículas en un área muy grande. En otras palabras, necesita STAR, undetector de seguimiento que, como un barril gigante, cubre la región alrededor del punto donde colisionan los rayos y es capaz de atrapar miles de aerosoles de partículas por segundo.
"Los detalles sobre esta medición son muy técnicos", dijo Fazio, "pero contar todas las W puede apuntar a algo llamado 'asimetría de espín transversal único', un desequilibrio en el número de estas partículas que emergen a un lado deel detector en comparación con el otro dependiendo de dónde esté apuntando el giro del protón ". Esta medición es un gran paso hacia la verificación de una predicción teórica de larga data basada en la comprensión del funcionamiento de la interacción del color.
Como señaló Aschenauer, "Hay muchas iniciativas en el mundo para medir esta asimetría en colisiones de electrones o muones-protones, utilizando objetivos fijos en otras instalaciones como COMPASS, HERMES y Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Perotodas las mediciones de esos experimentos reflejan los efectos de la fuerza de atracción entre ' a diferencia de 'cargas de color. La única forma de probar que la teoría de la interacción del color es atractiva en un caso y repugnante en otro es tener un observable que sea impulsado por la interacción repulsiva entre cargas de color' similares ', que es lo quepudimos probar con colisiones polarizadas protón-protón en RHIC "
La hipótesis era que el experimento RHIC produciría el mismo desequilibrio espacial en la producción de W, pero en la dirección opuesta a la observada en los experimentos sensibles a las interacciones de cargas de color "diferentes". La prueba experimental de este "cambio de signo" esUna de las preguntas abiertas en la física hadrónica y recientemente fue señalada como una prioridad por el Comité Asesor de Ciencias Nucleares NSAC de la nación.
Incluso después de realizar estos estudios durante un tiempo relativamente corto como una forma de probar el concepto, el equipo de STAR dice que han visto un indicio del cambio de signo, pero se necesitan más datos para estar seguros.
"Debido a que es una medida tan complicada, inicialmente no dedicamos una carrera completa a esto. Pero ahora tenemos una pista que queremos seguir", dijo Fazio. El equipo espera resolver el caso en la carrera de RHIC de2017, que para STAR, se dedicará a esta medición.
Además, debido a que estos nuevos hallazgos se alinean con la teoría que los científicos han estado utilizando para describir la estructura interna del protón, también apoyan su plan para usar futuras colisiones de electrones con protones polarizados en un colisionador de iones de electrones EIC propuesto pararealizar estudios detallados de la estructura interna del protón.
"Estas mediciones STAR dan una indicación del momento interno de los quarks y los gluones, tanto en la dirección del movimiento como también en el momento transversal. Un EIC desentrañaría todos los detalles necesarios para producir imágenes en 3D de la estructura del momento del protón", dijo Aschenauer.
Ver el documento en: http://arxiv.org/abs/1511.06003
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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