Negli scontri protone-protone, più neutroni si diffondono a destra che a sinistra rispetto alla direzione di spin del protone. Questa era la saggezza accettata, e gli scienziati pensavano che lo schema avrebbe resistito anche quando i protoni colpivano nuclei più grandi. Una nuova ricerca scrupolosa mostra che non è così. Gli scienziati hanno analizzato le collisioni di protoni rotanti con nuclei atomici di diverse dimensioni presso il rivelatore PHENIX presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Hanno scoperto che l'aumento delle dimensioni del "bersaglio" del nucleo ha causato la dispersione dei neutroni da queste collisioni per cambiare la loro "preferenza" direzionale da destra a sinistra. I risultati suggeriscono che i meccanismi che producono i neutroni diffusi differiscono a seconda delle dimensioni del bersaglio.

Comprendere come vengono prodotte le particelle nelle collisioni nucleari potrebbe avere grandi implicazioni per l'interpretazione di altre collisioni di particelle ad alta energia. Le informazioni provenienti da queste collisioni offrono approfondimenti sulla natura e sulle forze che governano la materia, che costruisce il mondo intorno a noi, da minuscole cellule viventi a stelle gigantesche. Ulteriore, questo nuovo risultato si aggiunge alla storia sconcertante di ciò che provoca il cambiamento nella direzione di dispersione in primo luogo. Questi e altri risultati delle collisioni di protoni polarizzati di RHIC contribuiranno alla fine a rispondere a questa domanda.

Quando i fisici RHIC hanno fatto scontrare per la prima volta protoni allineati con lo spin con nuclei d'oro molto più grandi nel 2015, si aspettavano di vedere i neutroni emergere lungo il percorso del protone protonico leggermente inclinato verso destra come nelle precedenti collisioni protone-protone. Ma invece, hanno osservato una preferenza direzionale molto più ampia a sinistra anziché a destra. Hanno effettuato una scrupolosa revisione della loro analisi ed eseguito simulazioni di rilevatori per essere sicuri che non stessero semplicemente vedendo un artefatto del rilevatore o un effetto del modo in cui i fasci collidenti erano allineati. Quindi hanno lavorato con i fisici dell'acceleratore di RHIC per ripetere l'esperimento in condizioni ancora più precisamente controllate e hanno incluso misurazioni con nuclei di alluminio di dimensioni intermedie. Questi risultati hanno rivelato che la preferenza direzionale dei neutroni era reale e verso destra nelle collisioni protone-protone, quasi zero (che significa nessuna preferenza) nelle collisioni protone-alluminio, e molto forte e verso sinistra negli scontri protone-oro.

Per comprendere i risultati, gli scienziati hanno dovuto esaminare più da vicino i processi e le forze che influenzano le particelle di dispersione. Le loro analisi suggeriscono che la grande carica elettrica positiva sul nucleo d'oro, con 79 protoni carichi positivamente, provoca forti interazioni elettromagnetiche che giocano un ruolo molto più importante nella produzione di particelle rispetto a quando due piccoli, protoni di uguale carica si scontrano. In quelle collisioni protone-protone, viene guidata la preferenza direzionale opposta, Invece, dalle interazioni tra quark e gluoni interni delle particelle, governato dalla forza nucleare forte. Gli scienziati continueranno ad analizzare i dati degli esperimenti del 2015 in modi diversi per vedere come l'effetto dipende 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 collaboreranno con i teorici per comprendere meglio i loro risultati e l'origine delle asimmetrie di spin trasversali nelle collisioni protone-protone e protone-nucleo.