Los nuevos datos del experimento STAR y el Relativistic Heavy Ion Collider RHIC agregan detalles y complejidad a un intrigante rompecabezas que los científicos han estado tratando de resolver: cómo los bloques de construcción que componen un protón contribuyen a su giroLos resultados, recién publicados como una comunicación rápida en la revista Revisión física D , revele definitivamente por primera vez que los diferentes "sabores" de los antiquarks contribuyen de manera diferente al giro general del protón, y de una manera opuesta a la relativa abundancia de esos sabores.
"Esta medida muestra que la pieza de quark del rompecabezas de protones giratorios está hecha de varias piezas", dijo James Drachenberg, portavoz adjunto de STAR de la Universidad Cristiana Abilene. "No es un rompecabezas aburrido; no está dividido de manera uniforme. Hay unimagen más complicada y este resultado nos da un primer vistazo de cómo se ve esa imagen "
No es la primera vez que la visión de los científicos sobre el giro de protones ha cambiado. Hubo una "crisis" de giro completo en la década de 1980 cuando un experimento en el Centro Europeo de Investigación Nuclear CERN reveló que la suma de quark ylos giros antiquark dentro de un protón podrían representar, en el mejor de los casos, una cuarta parte del giro general. RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven, se construyó en parte para que los científicos pudieran medir las contribucionesde otros componentes, incluidos los antiquarks y gluones que se "pegan" o unen a los quarks y antiquarks para formar partículas como protones y neutrones.
Los anticuarcos solo tienen una existencia fugaz. Se forman como pares quark-antiquark cuando los gluones se dividen.
"Llamamos a estos pares el mar de quark", dijo Drachenberg. "En cualquier instante, tienes quarks, gluones y un mar de pares de quark-antiquark que contribuyen de alguna manera a la descripción del protón. Entendemos elpapel que juegan estos quarks marinos en algunos aspectos, pero no en lo que respecta al giro ".
Explorando el sabor en el mar
Una consideración clave es si los diferentes "sabores" de los quarks marinos contribuyen a girar de manera diferente.
Los Quarks vienen en seis sabores: las variedades de arriba y abajo que componen los protones y neutrones de la materia visible ordinaria, y otras cuatro especies más exóticas. La división de los gluones puede producir pares de quark / antiquark, pares de quark / antiquark abajo -y a veces incluso pares de quark / antiquark más exóticos.
"No hay ninguna razón por la cual un gluón preferiría dividirse en uno u otro de estos sabores", dijo Ernst Sichtermann, colaborador de STAR del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley LBNL del DOE que desempeñó un papel principal en la investigación del quark sea"Esperaríamos números iguales [de pares ascendentes y descendentes], pero eso no es lo que estamos viendo". Las mediciones en el CERN y el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del DOE han encontrado consistentemente más antiquarks que antiquarks.
"Debido a que existe esta sorpresa, una asimetría en la abundancia de estos dos sabores, pensamos que también podría haber una sorpresa en su papel en el giro", dijo Drachenberg. De hecho, los resultados anteriores de RHIC indicaron que podría haber undiferencia en cómo los dos sabores contribuyen a girar, alentando al equipo de STAR a hacer más experimentos.
Cumpliendo con los objetivos de giro
Este resultado representa la acumulación de datos del programa de rotación RHIC de 20 años. Es el resultado final de uno de los dos pilares iniciales que motivaron el programa de rotación en los albores de RHIC.
Para todos estos experimentos, STAR analizó los resultados de colisiones de protones polarizados en RHIC, colisiones en las que la dirección de giro general de los dos haces de protones de RHIC se alineó de formas particulares. Buscando diferencias en el número de ciertas partículas producidas cuandoLa dirección de giro de un haz de protones polarizado se voltea puede usarse para rastrear la alineación del giro de varios constituyentes y, por lo tanto, sus contribuciones al giro general del protón.
Para las mediciones del quark sea, los físicos de STAR contaron electrones y positrones, versiones antimateria de electrones que son iguales en todos los sentidos, excepto que llevan una carga eléctrica positiva en lugar de negativa. Los electrones y positrones provienen de la descomposición de las partículasllamados bosones W, que también vienen en variedades negativas y positivas, dependiendo de si contienen un antiquark arriba o abajo. La diferencia en la cantidad de electrones producidos cuando se invierte la dirección de giro del protón en colisión indica una diferencia en la producción de W y sirve comoun sustituto para medir la alineación de la rotación de los antiquarks ascendentes. De manera similar, la diferencia en los positrones proviene de una diferencia en la producción de W + y cumple el papel de suplente para medir la contribución de la rotación de los antiquarks hacia abajo
Nuevo detector, precisión añadida
Los últimos datos incluyen señales capturadas por el calorímetro de tapa final de STAR, que recoge partículas que viajan cerca de la línea de luz hacia adelante y hacia atrás de cada colisión. Con esta nueva información agregada a los datos de partículas que emergen perpendicularmente a la zona de colisión, los científicos han reducido la incertidumbreen sus resultados. Los datos muestran definitivamente, por primera vez, que los giros de los antiquarks hacia arriba hacen una mayor contribución al giro general de protones que los giros de los antiquarks hacia abajo.
"Esta 'asimetría de sabor', como la llaman los científicos, es sorprendente en sí misma, pero aún más teniendo en cuenta que hay más antiquarks abajo que arriba antiquarks", dijo Qinghua Xu de la Universidad de Shandong, otro científico líder que supervisó a uno de los graduadosestudiantes cuyo análisis fue esencial para el trabajo.
Como señaló Sichtermann, "Si vuelves al rompecabezas original de giro de protones, donde aprendimos que la suma de los giros de quark y antiquark representa solo una fracción del giro de protones, las siguientes preguntas son ¿cuál es la contribución del gluón?¿es la contribución del movimiento orbital de los quarks y los gluones? Pero también, ¿por qué la contribución del quark es tan pequeña? ¿Se debe a una cancelación entre las contribuciones del quark y el giro antiquark? ¿O se debe a las diferencias entre los diferentes sabores del quark?
"Los resultados anteriores de RHIC han demostrado que los gluones juegan un papel importante en la rotación de protones. Este nuevo análisis da una clara indicación de que el mar también juega un papel importante. Es mucho más complicado que solo los gluones que se dividen en cualquier sabor que desee:y una muy buena razón para mirar más profundo en el mar "
Bernd Surrow, físico de la Universidad de Temple que ayudó a desarrollar el método del bosón W y supervisó a dos de los estudiantes graduados cuyos análisis condujeron a la nueva publicación, está de acuerdo. "Después de varios años de trabajo experimental en RHIC, este nuevo y emocionante resultado proporciona uncomprensión sustancialmente más profunda de las fluctuaciones cuánticas de quarks y gluones dentro del protón. Estas son las clases de preguntas fundamentales que atraen a las mentes jóvenes: los estudiantes que continuarán expandiendo los límites de nuestro conocimiento ".
Las mediciones adicionales de STAR podrían ofrecer información sobre las contribuciones de los pares exóticos de quark / antiquark. Además, los científicos de EE. UU. Esperan profundizar en el misterio de los espines en un futuro futuro Colisionador de iones de electrones. Este acelerador de partículas usaría electrones para sondear directamentela estructura de rotación de los componentes internos de un protón, y en última instancia debería resolver el rompecabezas de rotación de protones.
¿Por qué estudiar el giro de protones?
El giro es una propiedad fundamental de las partículas, tan esencial para la identidad de una partícula como su carga eléctrica. Debido a que las partículas tienen giro, pueden actuar como pequeños imanes con una polaridad particular. Alinear y voltear la polaridad del giro de protones es la base de las tecnologíascomo la resonancia magnética MRI. Pero los científicos todavía se esfuerzan por comprender cómo los bloques de construcción internos de los protones, los quarks y gluones y el mar de pares quark-antiquark, así como su movimiento dentro del protón, construyen el conjuntogiro de la partícula: comprender cómo surge el giro del protón de sus bloques de construcción internos puede ayudar a los científicos a comprender cómo las complejas interacciones dentro del protón dan lugar a su estructura general y, a su vez, a la estructura nuclear de los átomos que constituyen casi toda la materia visible en nuestrouniverso: todo, desde estrellas hasta planetas y personas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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