Immagina di giocare a biliardo, facendo un po' di rotazione in senso antiorario sulla bilia battente e osservandola deviare a destra mentre colpisce la sua bilia bersaglio. Con fortuna, o abilità, la bilia bersaglio affonda nella buca d'angolo, mentre la bilia battente deviata verso destra manca di poco un graffio della tasca laterale. Ora immagina che il tuo pallino rotante in senso antiorario colpisce invece una palla da bowling, e deviando ancora più fortemente, ma al sinistra -quando colpisce la massa maggiore.

È simile alla scioccante situazione in cui si sono trovati gli scienziati quando hanno analizzato i risultati dei protoni rotanti che colpiscono nuclei atomici di diverse dimensioni al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura per l'utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca sulla fisica nucleare presso il DOE Laboratorio nazionale di Brookhaven. I neutroni prodotti quando un protone rotante si scontra con un altro protone escono con una leggera preferenza di inclinazione verso destra. Ma quando il protone rotante si scontra con un nucleo d'oro molto più grande, la preferenza direzionale dei neutroni diventa più grande e cambia a sinistra.

"Ciò che abbiamo osservato è stato assolutamente sorprendente, " ha detto il fisico di Brookhaven Alexander Bazilevsky, un vice portavoce per la collaborazione PHENIX presso RHIC, che riporta questi risultati in un nuovo articolo appena pubblicato su Lettere di revisione fisica . "I nostri risultati potrebbero significare che i meccanismi che producono particelle lungo la direzione in cui viaggia il protone rotante possono essere molto diversi nelle collisioni protone-protone rispetto alle collisioni protone-nucleo".

La comprensione dei diversi meccanismi di produzione delle particelle potrebbe avere grandi implicazioni per l'interpretazione di altre collisioni di particelle ad alta energia, comprese le interazioni dei raggi cosmici ad altissima energia con le particelle nell'atmosfera terrestre, ha detto Bazilevskij.

Rilevamento delle preferenze direzionali delle particelle

I fisici dello spin hanno osservato per la prima volta la tendenza di più neutroni ad emergere leggermente verso destra nelle interazioni protone-protone nel 2001-2002, durante i primi esperimenti sui protoni polarizzati di RHIC. RHIC, che opera dal 2000, è l'unico collisore al mondo con la capacità di controllare con precisione la polarizzazione, o direzione di rotazione, di protoni in collisione, quindi questo era un nuovo territorio all'epoca. Ci è voluto del tempo prima che i fisici teorici spiegassero il risultato. Ma la teoria che hanno sviluppato, pubblicato nel 2011, non ha dato agli scienziati alcun motivo per aspettarsi una preferenza direzionale così forte quando i protoni si scontravano con nuclei più grandi, per non parlare di un capovolgimento completo nella direzione di quella preferenza.

"Avevamo previsto qualcosa di simile all'effetto protone-protone, perché non riuscivamo a pensare a nessuna ragione per cui l'asimmetria potesse essere diversa, " disse Itaru Nakagawa, un fisico del laboratorio giapponese RIKEN, che è stato vice coordinatore della corsa di PHENIX per le misurazioni dello spin nel 2015. "Riesci a immaginare perché una palla da bowling disperderebbe una bilia battente nella direzione opposta rispetto a una palla da biliardo bersaglio?"

Il 2015 è stato l'anno in cui RHIC ha fatto scontrare per la prima volta protoni polarizzati con nuclei d'oro ad alta energia, le prime collisioni di questo tipo in tutto il mondo. Minjung Kim, uno studente laureato alla Seoul National University e al RIKEN-BNL Research Center del Brookhaven Lab, ha notato per la prima volta l'inclinazione sorprendentemente drammatica dei neutroni e il fatto che la preferenza direzionale era opposta a quella osservata nelle collisioni protone-protone. Bazilevsky ha lavorato con lei sull'analisi dei dati e sulle simulazioni del rilevatore per confermare l'effetto e assicurarsi che non fosse un artefatto del rilevatore o qualcosa a che fare con la regolazione dei raggi. Quindi, Nakagawa ha lavorato a stretto contatto con i fisici dell'acceleratore su una serie di esperimenti per ripetere le misurazioni in condizioni controllate ancora più precisamente.

"Questo è stato davvero uno sforzo collaborativo tra sperimentatori e fisici degli acceleratori che potrebbero mettere a punto al volo un impianto di accelerazione così grande e complicato per soddisfare le nostre esigenze sperimentali, "Bazilevsky ha detto, esprimendo gratitudine per questi sforzi e ammirazione per la versatilità e la flessibilità di RHIC.

Le nuove misure, che includeva anche i risultati di collisioni di protoni con ioni di alluminio di dimensioni intermedie, ha mostrato che l'effetto era reale e che cambiava con la dimensione del nucleo.

"Quindi abbiamo tre serie di dati:protoni polarizzati in collisione con protoni, alluminio, e oro, " Ha detto Bazilevsky. "L'asimmetria aumenta gradualmente da negativa in protone-protone - con più neutroni che si diffondono a destra - a quasi zero asimmetria in protone-alluminio, a una grande asimmetria positiva nelle collisioni protone-oro, con molte più dispersioni a sinistra."

Meccanismi di produzione di particelle

Per comprendere i risultati, gli scienziati hanno dovuto esaminare più da vicino i processi e le forze che influenzano le particelle di dispersione.

"Nel mondo delle particelle, le cose sono molto più complicate del semplice caso di collisione di palle da biliardo (rotazione), " Bazilevsky ha detto. "Ci sono un certo numero di diversi processi coinvolti nella dispersione delle particelle, e questi stessi processi possono interagire o interferire l'uno con l'altro."

"L'asimmetria misurata è la somma di queste interazioni o interferenze di diversi processi, " ha detto Kim.

Nakagawa, che ha guidato l'interpretazione teorica dei dati sperimentali, approfondito sui diversi meccanismi.

L'idea di base è che, nel caso di nuclei grandi come l'oro, che hanno una carica elettrica positiva molto grande, le interazioni elettromagnetiche giocano un ruolo molto più importante nella produzione di particelle di quanto non facciano nel caso in cui due piccoli, protoni di uguale carica si scontrano.

"Nelle collisioni di protoni con protoni, l'effetto della carica elettrica è trascurabilmente piccolo, " disse Nakagawa. In tal caso, l'asimmetria è guidata da interazioni governate dalla forza nucleare forte, come descritto correttamente dalla teoria sviluppata nel 2011. Ma come la dimensione, e quindi addebitare, del nucleo aumenta, la forza elettromagnetica assume un ruolo maggiore e, ad un certo punto, capovolge la preferenza direzionale per la produzione di neutroni.

Gli scienziati continueranno ad analizzare i dati del 2015 in modi diversi per vedere come l'effetto dipenda da altre variabili, come la quantità di moto delle particelle in varie direzioni. Esamineranno anche come vengono influenzate le preferenze di particelle diverse dai neutroni, e lavorare con i teorici per comprendere meglio i loro risultati.

Un'altra idea sarebbe quella di eseguire una nuova serie di esperimenti che facciano scontrare protoni polarizzati con altri tipi di nuclei non ancora misurati.

"Se osserviamo esattamente l'asimmetria che prevediamo in base all'interazione elettromagnetica, allora questa diventa una prova molto forte per supportare la nostra ipotesi, " Ha detto Nakagawa.

Oltre a fornire un modo unico per comprendere i diversi meccanismi di produzione delle particelle, questo nuovo risultato si aggiunge alla sconcertante storia di ciò che causa l'asimmetria di spin trasversale in primo luogo, una questione aperta per i fisici dagli anni '70. Questi e altri risultati delle collisioni di protoni polarizzati di RHIC contribuiranno alla fine a risolvere questa domanda.